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輸出漣波電壓量測

緒論

  • 漣波電壓

漣波電壓一般指的是直流電源上出現的交流電壓變化量。漣波電壓的產生主要是轉換器將交流電壓轉換成直流電壓,但是輸出電壓中的交流成分無法完全消除所造成的現象。舉個例子,圖1為橋式整流器示意圖,整流器輸出端接了濾波電容器。虛線為全波整流前的電壓波形,實線為經過電容濾波後的值流電壓波形,漣波電壓指的就是實線的峰對峰值。

圖1中展示的漣波電壓是屬於較低頻的漣波電壓,在較高頻的應用,如交流轉直流或直流轉直流轉換器,漣波電壓的頻率就會比較高。圖2為直流轉直流轉換器示意圖,由於轉換器內部有開關元件,開關切換的過程中會產生電壓雜訊,並透過變壓器耦合到二次測,最終在輸出電容端所量測到的漣波電壓,是有包含雜訊成分的漣波電壓。

 

  • 量測方式

一般量測電壓的方式,是使用電壓探棒,量測待測物的輸出端或負載端,並透過示波器顯示輸出電壓的大小,如圖3所示。但如果是要量測漣波電壓,這種方式所量測到的波形就容易受到干擾。

圖4為使用一般量測方式所測得的漣波電壓,可以看到在雜訊的部分明顯比較高。這最主要是由於探棒的地線較長,對於探棒的量測路徑等於是增加了寄生電感,造成輸出電壓的波形出現雜訊,這並非是由產品造成的現象,因此容易有誤判的情況發生,所以正確的量測方式是很重要的。

 

圖5為常見的輸出電壓漣波量測方式,從圖中可以看出,轉換器輸出端外接濾波電容,這個電容的目的是抑制雜訊,所以電容值通常不會太高,大多在0.1uF~1uF左右。首先探棒要使用短接地的方式進行量測動作,量測點從負載改成輸出電容端,以上動作的目的都是在避免量測到雜訊。圖6就是短接地與無短接地的漣波差異圖,可以看出如果使用短接地的量測方法,才能正確的量測轉換器的漣波電壓。

 

大多數的漣波電壓量測都是示波器與待測物距離比較近的情況,如果距離比較遠那可能就不適合使用電壓探棒進行量測,比較適合的方式是使用50Ω的BNC接頭跟同軸導線進行遠距離的量測,如圖7所示。這邊要注意的是,同軸電纜出線端至電容與示波器的線長越短越不容易接收干擾。

本次的量波電壓量測方式,皆使用電壓探棒,並使用短接地的量測方式進行量測。

 

常見外接對策

以下將舉例幾個常見的漣波電壓抑制方式

  • 電容器

在轉換器的輸出端外接電容器,是一個很直接可以降低輸出電壓漣波的方式,如圖8所示。

以全波整流器的漣波電壓公式為例

Vpp為漣波電壓的峰對峰值 ; I為電流 ; f為操作頻率 ; C為電容.

可以看到,漣波電壓與電容成反比,也就是電容越大,漣波電壓越小,由此可知外接電容有助於抑制漣波電壓。

  • 低通濾波器

如果想要進一步的抑制漣波電壓,由電感與電容組合而成的低通濾波器也是一個很好的選擇,如圖9所示。

 

可以透過頻率響應的觀點,試著計算L, C的參數

f0為截止頻率, Q為品質因素, RL為等效負載

將公式3帶入公式2,分別可以得到L與C的對應公式

品質因素與負載阻抗, LC濾波器有關,主要可以分為過阻尼, 臨界阻尼與欠阻尼三條曲線,如圖10所示。理想情況下,使用臨界阻尼作為LC濾波器的參數最為適合。

 

  • 共模濾波電感

共模電感最主要的目的是在抑制共模雜訊,由於電源模組內部的開關元件切換時容易產生切換雜訊,這些雜訊也可能會透過輸出端傳到負載端,而常見的接線方式如圖11所示。

共模濾波電感器最主要的應用是EMI濾波器,而非抑制輸出電壓漣波。但是,共模濾波電感內部還是有漏感,在實際線路中,漏感剛好是最為差模率波應的應用,類似LC率波器,所以共模濾波電感還是能對漣波抑制有一些作用。

 

  • 電容倍增電路

電容倍增電路,如圖12所示,主要是透過電晶體的作用,對於輸出端來說,有著將C1放大的效果,類似在輸出端有著很大的電容,適合用在有體積限制,又需要低漣波電壓的應用,可以利用這個線路作為一個大的電容器,尤其是在有負載情況下可以有很好的漣波抑制效果。

電容倍增電路的等效電容,相當於是將C1成上電晶體Q1的電流增益(β)。首先我們可以先從電路中的RC低通濾波器來看,如圖13(a),如果想要抑制電壓漣波,C1的容值就必須要很大。如果在這之中加上一顆電晶體,如圖13(b),C1供給輸出端的電流縮小了約 β倍,換句話說,就是 C1 的電容值對於輸出端等於被放大了約 β倍。

電容倍增電路也是有缺點,由於電晶體Vce的電壓會隨著流過的電流變化,會造成輸出端有一定的電壓降,可能是從0.65V到3V不等。因此,這個適合用在電流很小且電壓精準度不高的應用,如OP放大器或者是DAC的電源。

實際範例

以下將使用一特定的直流轉直流轉換器,透過不同的漣波電壓抑制線路,量測之前與之後的漣波電壓差異。轉換器為一寬輸入電壓範圍從9到36V輸入,5V輸出穩壓轉換器,輸出功率為30W,輸出電流為6A,規格如表1所示。

表 1 轉換器規格
DC to DC Converter PF30WR4-2405
Input voltage 24 Vdc
Output 5 Vdc / 6A
Operating frequency 400kHz
Ripple & noise 75mVp-p (max)

 

  • 電容器

圖14為使用短接地的方式量測轉換器輸出端的漣波電壓,從圖中可以看出,無外接電容器時,輸出電壓漣波的峰對峰值大約100mV左右,由於無額外的雜訊抑制對策,所以電壓探棒量測到很高的電壓雜訊,大約有445.9mV。

為了抑制輸出電壓漣波與雜訊,最常見與簡單的外接對策就是外接電容器,圖15為外接一個22uF的MLCC所量測的輸出電壓漣波,從圖中可以看到整體的漣波電壓被有效的抑制,從445.9mV變成30mV。

另外,圖16是額外將輸出電容再加大1倍,使用了兩顆22uF的MLCC,從波形中可以看到,輸出電壓漣波變的更低,峰對峰值是19.5mV。因此,在轉換器輸出端外接電容,確實可以有效抑制輸出電壓漣波。

  • 低通濾波器

 

圖17為低通濾波器的示意圖,從轉換器規格表中得知操作頻率為400kHz。先設定截止頻率為40kHz,品質因素設定0.707,透過公式4與5,可以算出電感為4.69uH以極電容為3.376uF。最終選擇4.7uH的電感與兩顆2.2uF的MLCC作為輸出的低通濾波器。圖18為輸出電壓漣波量測圖,圖中有濾波前後的比較,可以看到經過低通濾波器之後,漣波與雜訊都被有效的抑制。

  • 共模濾波電感

 

圖19為使用共模電感作為輸出電壓濾波器的示意圖,本次實驗使用A151, T16x12x8C的鐵芯,繞製的圈數為10圈,主感量為0.35mH,漏感量為3.18uH。C1與C2使用0.22uF。

圖20為共模濾波器的示意圖,可以看到漏感在線路中是做為差模電感,形同於兩個低通濾波器,因此輸出電壓漣波抑制效果比低通濾波器更好一些。圖21為實際量測波型,確實漣波電壓比單獨的低通濾波器還要低,但是缺點是整體占用的體積較多。

  • 電容倍增電路

 

圖22為本次實驗的示意圖,線路的參數如下

Q1使用ROHM電晶體,型號為2SCR552PT100.

R1使用1kΩ.

C1使用4.7uF.

由於電容倍增電路主要適合在訊號等級使用,不適合用在大電流的應用,因此本次實驗的輸出電流限制在0.2A。圖23為實際測試波形圖,可以看到抑制前、後的差異,抑制前的漣波約為97mV,抑制後的漣波為12.8mV,確實可以有效抑制電壓漣波。但主要的缺點還是在只能應用在訊號使用,無法應用在更高的輸出功率。

  • 結論

本文初步的介紹有關於漣波電壓的形成,以及正確的漣波電壓量測方式,以及提供了四種漣波電壓抑制方式,並量測不同對策方式的漣波電壓,

表2為四個濾波器的綜合評比分數,分數越低的表示越好,從綜合得分來看,只外加電容還是最適合的漣波抑制方式,不僅體積最小且有一定的效果。

第二與第三是低通濾波器以及共模濾波電感,只要是需要外接電感以及共模電感,在零件數以及整體面積占用較多,但是效果比較好,因此還是很多低漣波應用都使用這兩種應用方式。第四為電容倍增電路,對於漣波電壓抑制效果不錯,但只能應用在低電流的訊號使用,限制了應用範圍。

表 2 濾波器比較表

  C LC filter CMC filter C multiplier
Part count 1 2 3 3
Layout space 1 2 3 3
Ripple & Noise suppression 2 1 1 1
Output current 1 1 1 3

1→好, 2→中等, 3→較差

 

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