降低電源轉換器漣波與雜訊的技巧

對於大部分系統而言，電源轉換器輸出電壓變化會由兩種成分所組成，分別是漣波與雜訊，兩者均為無法避免的因素。輸出電壓變化量大部分能藉由外部元件降至最小，尤其是對於需要高精準度的電路。

本文敘述漣波電壓與雜訊電壓定義，然後介紹常見抑制電源轉換器漣波與雜訊的方式，如何透過外加元件，達到穩定輸出電壓的效果。

1. 緒論

對於返馳式轉換器的輸出電壓振幅而言，以下分別介紹影響輸出電壓漣波與輸出雜訊電壓參數的成分，最後再簡單介紹電源抑制比的定義。

1.1 漣波電壓

漣波電壓定義是指直流電源上出現的非預期產生的交流電壓變化量。返馳式轉換器輸出漣波電壓公式如式(1)，得知輸出漣波電壓與輸出電阻負載R、輸出電容C、開關頻率f成反比，反而與工作週期D成正比。

以電源轉換器規格為例，當工作週期為50%時，輸出電壓12V，負載電流1mA，輸出電容1µF，且切換頻率5kHz，由(1)可以推導出漣波電壓值。

• 開關頻率

 

電子產品的體積逐漸朝小型化發展，若增加開關頻率可以明顯地縮小整體轉換器的體積。從式(1)中看出提高頻率可以降低輸出電壓漣波，但是會減少連續操作時的磁化電感最小值L_m，如式(3)，同時也帶來更大的電磁干擾與更低的轉換效率。

其中 N₁和N₂分別是變壓器一次側匝數和二次側匝數

• 輸出電容

隨著輸出電容和輸出電阻增大，電壓漣波會隨之減小，但增加輸出電容值代表體積變大，此方式顯然不適合於小型化的目標。

1.2雜訊電壓

不論是受到外部環境或內部電路的干擾，所有類比訊號在傳輸期間容易受到外部的各種頻率的影響而造成訊號的失真，這稱為雜訊。以下討論返馳式電源轉換器常見的輸出電壓雜訊源。

• 振鈴現象

每個電路中，各個節點一定都會存在寄生電感、寄生電容，當功率電晶體開關的切換瞬間便會產生高頻振鈴現象，也就是所謂的開關雜訊，如下圖所示:

 

其中，振鈴諧振頻率易受到寄生電容與寄生電感影響。

 

常見對策是選用小寄生電容的功率電晶體，並且具體透過優化印刷電路板的佈局，以致減少銅線的寄生電容和寄生電感，以及外接元件來降低其對電路的干擾影響。

• 電源抑制比

用來描述電源轉換器對於電源雜訊的抑制能力，其定義是電源電壓變化與輸出電壓變化的比值，此數值愈大代表抑制能力越好。如下式所示

由此可知，電源電壓擾動對於輸出電壓雜訊影響甚為嚴重。實務對策可以外接緩衝器或濾波器，才能避免電源雜訊導致的轉換效率下降等問題。

 

2. 如何減少輸出電壓變化

常見的抑制方式有使用輸出電容、電容與電感組合的LC濾波器、低壓差線性穩壓器等等，以下將介紹幾種方式在使用上需要注意的事項。

2.1   電容器

圖2為直接使用並聯外接電容來抑制雜訊的電路。外接電容可以分成三個部分，分別是靜態電容量、等效串聯電感(ESL)、等效串聯電阻(ESR)，其中靜態電容量影響輸出電壓的平穩度；ESL、ESR則與電壓雜訊的大小成正比。要有效降低轉換器輸出雜訊，需要注意的重點在於電容的阻抗特性，盡量採用高頻特性佳、ESL、ESR較低的電容，如積層陶瓷電容，此外也能透過並聯多個相同容量之電容器降低其等效串聯電阻達到抑制電壓雜訊的目的。

2.2    LC濾波器

電容除了能提供負載電流作用以外，也能抑制輸出電壓產生的波動，但對於低頻的雜訊無法有效抑制，因此串聯電感與輸出電容形成一個LC濾波器。此電路原理是僅允許完整地通過特定頻帶的訊號，並且衰減此頻帶以外的所有訊號，而實際大部分的情況是對於高頻干擾訊號做很大程度的衰減，僅保留低頻訊號通過。

一般來說必須以最嚴重的情況來設計LC濾波器，當輸出負載電流從滿載瞬間轉態成空載狀態時，原本儲存在電感的能量會往四周釋放，勢必會衝擊周遭元件，甚至毀壞電路。因此功率電晶體和輸出電容的耐壓必須以最嚴格的情況來選擇。

另一個注意事項是電感元件的線電阻會降低輸出端的直流電壓，而電感元件的線電阻會與負載電阻分壓，因此選擇寄生電阻較小的電感元件是很重要的因素。

2.3    低壓差線性穩壓器

電源轉換器的輸出端外加一個低壓差線性穩壓器能大幅度地降低輸出漣波與雜訊，可滿足需要純淨電壓的電路需求，如脈衝電路或通訊電路，如圖5所示。低壓差線性穩壓器工作原理是透過內部回授電路比較輸出電壓與穩壓器內的參考電壓，並經由內部電晶體調節負載電流，從而保持輸出電壓穩定，此方式的優點是低輸出電壓漣波以及反應速度快；缺點是散熱效果差，不適合重負載應用。

3. 結論

減少漣波電壓和雜訊電壓是高輸出精確度與穩定度的電源轉換器的方向，本文分析漣波電壓和雜訊電壓的成因，以及提供三種不同的對策電路，分別是電容器、LC濾波器、低壓差線性穩壓器。這三種方式使用上各有優劣，使用上加上電容器的體積最小但抑制效果不佳，反而LC濾波器的體積小且對漣波電壓抑制效果佳，故較為廣泛使用。

 

 

 

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