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什么是電源紋波以及如何抑制電源紋波的方式詳解

什么是電源紋波

直流電壓波動會產(chǎn)生紋波現(xiàn)象,疊加在直流上的分量稱為紋波,在我們平常的應(yīng)用中DCDC輸出電源紋波過大對于正常工作的芯片可能會造成影響,嚴(yán)重的會導(dǎo)致CPU掛機(jī),如:板載DDR顆粒的VDD紋波過大可能會使得CPU對于DDR的數(shù)據(jù)讀寫出錯,CPU訪問到非法地址空間造成芯片的掛機(jī)。

電源輸出交流紋波可以視為是直流輸出疊加一個交流成份;從圖中可以看出,紋波中包括了兩個交流成份:一個DCDC輸出的紋波信號與一個高頻噪聲的疊加。

電源紋波1

在龍芯3A3000手冊中對于芯片的電源紋波有明顯的規(guī)定。

電源紋波2

因此對于DCDC輸出電壓的紋波抑制顯得尤為重要。根據(jù)BUCK電路輸出紋波計(jì)算公式:

電源紋波3

減少DCDC輸出紋波的幾種方式如下:

1增大BUCK輸出電容:

增大輸出電容容量也就是增大了電源系統(tǒng)所存儲的能量,當(dāng)CPU在加載過程中需要大電流提供時,電源平面上較大的電容即可為CPU提供瞬時所需的能量,使得電壓波動不大。但是電容的選擇也是很重要的,對于小電流電源平面(負(fù)載電流3A這種)可能增加些許陶瓷電容即可達(dá)到較好的需求,但是對于大電流電源平面(負(fù)載電流上百A這種),所增加的電容容量就會變得很大,此時ESR就變成了考慮對象。通常CPU的核心電源都是低壓大電流的,一般選擇大容量低ESR的高分子鋁電解電容,而不選擇鋁液體電解電容。

鋁液體電解電容不同規(guī)格ESR如下:

電源紋波4

高分子鋁電解電容不同規(guī)格EESR如下:基本上為mΩ級

電源紋波5

2、增大電源芯片的開關(guān)頻率:

提高高頻紋波頻率,有利于抑制輸出高頻紋波,但是過大的開關(guān)頻率容易造成EMI輻射超標(biāo),因此開關(guān)頻率最好還是選擇一個合適的值。

3、增大輸出電感:

根據(jù)開關(guān)電源的公式,電感內(nèi)電流波動大小和電感值成反比,輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值可以減小輸出電源的紋波。

電源紋波6

4、優(yōu)化反饋環(huán)路設(shè)計(jì):

4.1、增加前饋電容

電源紋波7

因?yàn)殡娫吹姆答仈嗉尤肓饲梆侂娙?,所以與反饋電阻形成新的零點(diǎn)和極點(diǎn),雖然Cff在其零點(diǎn)頻率之后引入了增益提升,此處涉及較深的控制理論,此處不再展開敘述。輸出的高頻信號可快速地通過電容到達(dá)芯片的FB管腳,是的電源芯片快速響應(yīng)后級負(fù)載的變化。

4.2、選擇帶有COT控制模式的芯片

COT架構(gòu)跟傳統(tǒng)的固定頻率控制方式相比具有更快的動態(tài)響應(yīng),在低占空比應(yīng)用時這種優(yōu)勢會更明顯。當(dāng)負(fù)載突變時,輸出電壓下降,當(dāng)?shù)陀趨⒖茧妷簳r會立即打開高側(cè)開關(guān),而不像固定頻率控制中必須接收外部時鐘信號的觸發(fā)才開啟高側(cè)開關(guān),在TON階段電感電流上升,如果反饋電壓仍低于參考電壓,會在一個最小關(guān)斷時間后再次啟動新的TON,高則開關(guān)會重復(fù)這種連續(xù)開啟直到輸出電壓和電感電流都達(dá)到預(yù)期值,這也是COT快速動態(tài)響應(yīng)的來源,通過改變開關(guān)頻率來影響占空比并達(dá)到穩(wěn)定輸出的效果。例如:MPS公司的芯片MPQ8633A、MPQ8633B

5、優(yōu)化PCB設(shè)計(jì):

DCDC輸出紋波大小是電源平面系統(tǒng)性的問題,在絕大多數(shù)情況下通過以上措施理論上可以減小輸出的紋波,但是也要注意PCB的布局與布線,比如:功率環(huán)路盡量小,反饋?zhàn)呔€盡量短且遠(yuǎn)離其他干擾信號線等。


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