秘笈六 精确测量电源纹波 - 开关电源电路开发设计秘籍大全

　　秘笈六 精确测量电源纹波

　　精确地测量电源纹波本身就是一门艺术。 在图6.1所示的示例中， 一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针；他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近；他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。

　　该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中，存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形，其中包括耦合自电源变压器的磁场，耦合自开关节点的电场，以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

　　图 6.1 错误的纹波测量得到的较差的测量结果

　　利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。首先，通常使用带宽限制来规定纹波，以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次，通过取掉探针“帽”，并构成一个拾波器（如图6.2所示），我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围，并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度，从而进一步减少拾波。

　　最后，在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。要防止这一问题的出现，我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器，其在不影响差分电压测量的同时， 还减少了共模电流引起的测量误差。 图6.2显示了该完全相同电路的纹波电压，其使用了改进的测量方法。这样，高频峰值就被真正地消除了。

　　图6.2 四个轻微的改动便极大地改善了测量结果

　　实际上，集成到系统中以后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中，抑或只有蚀刻存在于PWB上。另外，在芯片周围总是会存在额外的旁路电容，它们就是电源的负载。 这二者共同构成一个低通滤波器， 进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。 在极端情况下，电流短时流经15nH电感和 10μF旁路电容的一英寸导体时，该滤波器的截止频率为400kHz。这种情况下，就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下，该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下，从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。

　　秘笈七 高效驱动LED离线式照明

　　用切实可行的螺纹旋入式LED来替代白炽灯泡可能还需要数年的时间， 而在建筑照明中LED的使用正在不断增长， 其具有更高的可靠性和节能潜力。 同大多数电子产品一样， 其需要一款电源来将输入功率转换为LED可用的形式。 在路灯应用中， 一种可行的配置是创建300V/0.35安培负载的80个串联的LED。在选择电源拓扑结构时，需要制定隔离和功率因数校正 （PFC） 相关要求。隔离需要大量的安全权衡研究， 其中包括提供电击保护需求和复杂化电源设计之间的对比权衡。在这种应用中，LED上存在高压， 一般认为隔离是非必需的， 而PFC才是必需的， 因为在欧洲25瓦以上的照明均要求具有PFC功能，而这款产品正是针对欧洲市场推出的。

　　就这种应用而言，有三种可选电源拓扑：降压拓扑、转移模式反向拓扑和转移模式 （TM） 单端初级电感转换器 （SEPIC） 拓扑。当LED电压大约为80伏特时，降压拓扑可以非常有效地被用于满足谐波电流要求。在这种情况下，更高的负载电压将无法再继续使用降压拓扑。那么，此时较为折中的方法就是使用反向拓扑和SEPIC拓扑。SEPIC 具有的优点是，其可钳制功率半导体器件的开关波形，允许使用较低的电压，从而使器件更为高效。在该应用中，可以获得大约2%的效率提高。另外，SEPIC中的振铃更少，从而使EMI滤波更容易。图7.1 显示了这种电源的原理图。

　　图7.1 转移模式SEPIC发挥了简单LED驱动器的作用

　　该电路使用了一个升压TM PFC控制器来控制输入电流波形。该电路以离线为 C6充电作为开始。 一旦开始工作， 控制器的电源就由一个SEPIC电感上的辅助绕组来提供。一个相对较大的输出电容将LED纹波电流限定在DC电流的20%。补充说明一下，TM SEPIC中的AC 电通量和电流非常高， 需要漆包绞线和低损耗内层芯板来降低电感损耗。

　　图7.2和图7.3显示了与图7.1中原理图相匹配的原型电路的实验结果。 与欧洲线路范围相比， 其效率非常之高， 最高可达92%。 这一高效率是通过限制功率器件上的振铃实现的。 另外， 正如我们从电流波形中看到的一样， 在96%效率以上时功率因数非常好。有趣的是，该波形并非纯粹的正弦曲线，而是在上升沿和下降沿呈现出一些斜度，这是电路没有测量输入电流而只对开关电流进行测量的缘故。但是，该波形还是足以通过欧洲谐波电流要求的。

　　图7.2 TM SEPIC具有良好的效率和高PFC效率

　　图7.3 线路电流轻松地通过 EN61000-3-2 Class C标准

　　秘笈八 通过改变电源频率来降低EMI性能

　　在测定EMI性能时， 您是否发现无论您采用何种方法滤波都依然会出现超出规范几dB 的问题呢？有一种方法或许可以帮助您达到EMI性能要求，或简化您的滤波器设计。这种方法涉及了对电源开关频率的调制，以引入边带能量，并改变窄带噪声到宽带的发射特征， 从而有效地衰减谐波峰值。 需要注意的是， 总体 EMI 性能并没有降低，只是被重新分布了。利用正弦调制，可控变量的两个变量为调制频率 （fm） 以及您改变电源开关频率 （Δf） 的幅度。调制指数 （Β） 为这两个变量的比：

　　图8.1显示了通过正弦波改变调制指数产生的影响。当Β=0时，没有出现频移，只有一条谱线。 当Β=1时， 频率特征开始延伸， 且中心频率分量下降了20%。 当Β=2时， 该特征将进一步延伸， 且最大频率分量为初始状态的60%。 频率调制理论可以用于量化该频谱中能量的大小。 Carson法则表明大部分能量都将被包含在2 * （Δf + fm）带宽中。

　　图8.1 调制电源开关频率延伸了EMI特征

　　图8.2显示了更大的调制指数，并表明降低12dB以上的峰值EMI性能是有可能的。

　　图8.2 更大的调制指数可以进一步降低峰值EMI性能

      选取调制频率和频移是两个很重要的方面。 首先， 调制频率应该高于EMI接收机带宽， 这样接收机才不会同时对两个边带进行测量。 但是， 如果您选取的频率太高，那么电源控制环路可能无法完全控制这种变化，从而带来相同速率下的输出电压变化。另外，这种调制还会引起电源中出现可闻噪声。因此，我们选取的调制频率一般不能高出接收机带宽太多， 但要大于可闻噪声范围。 很显然， 从图8.2我们可以看出，较大地改变工作频率更为可取。然而，这样会影响到电源设计，意识到这一点非常重要。也就是说，为最低工作频率选择磁性元件。此外，输出电容还需要处理更低频率运行带来的更大的纹波电流。

　　图8.3对有频率调制和无频率调制的EMI性能测量值进行了对比。此时的调制指数为4，正如我们预料的那样，基频下EMI性能大约降低了8dB。其他方面也很重要。

　　谐波被抹入 （smear into） 同其编号相对应的频带中，即第三谐波延展至基频的三倍。 这种情况会在一些较高频率下重复， 从而使噪声底限大大高于固定频率的情况。因此， 这种方法可能并不适用于低噪声系统。 但是， 通过增加设计裕度和最小化EMI

　　滤波器成本，许多系统都已受益于这种方法。

　　图8.3 改变电源频率降低了基频但提高了噪声底限

　　秘笈九 估算表面贴装半导体的温升

　　过去估算半导体温升十分简单。您只需计算出组件的功耗，然后采用冷却电路电模拟即可确定所需散热片的类型。现在出于对尺寸和成本因素的考虑，人们渴望能够去除散热片，这就使得这一问题复杂化了。贴装在散热增强型封装中的半导体要求电路板能够起到散热片的作用，并提供所有必需的冷却功能。如图9.1所示， 热量经过一块金属贴装片和封装流入印刷线路板 （PWB）。然后，热量由侧面流经PWB线迹，并通过自然对流经电路板表面扩散到周围的环境中。影响裸片温升的重要因素是PWB中的铜含量以及用于对流导热的表面面积。

　　图9.1 热量由侧面流经PWB线迹，然后从 PWB 表面扩散至周围环境

       半导体产品说明书通常会列出某种PWB结构下结点至周围环境的热阻。这就是说，设计人员只需将这种热阻乘以功耗，便可计算出温升情况。但是，如果设计并没有具体的结构，或者如果需要进一步降低热阻，那么就会出现许多问题。

　　图9.2所示为热流问题的简化电模拟， 我们可据此深入分析。 IC电源由电流源表示，而热阻则由电阻表示。在各电压下对该电路求解，其提供了对温度的模拟。从结点至贴装面存在热阻，同时遍布于电路板的横向电阻和电路板表面至周围环境的电阻共同形成一个梯形网络。这种模型假设1）电路板为垂直安装，2）无强制对流或辐射制冷，所有热流均出现在电路板的铜中，3）在电路板两侧几乎没有温差。

　　图9.2 热流电气等效简化了温升估算

　　图9.3所示为增加PWB中的铜含量对提高热阻的影响。将 1.4 mils铜（双面，半盎司） 增加到8.4 mils（ 4层 ，1.5盎司） ， 就有可能将热阻提高3倍。 图中两条曲线：一条表示热流进入电路板、 直径为0.2英寸的小尺寸封装； 另一条表示热流进入电路板、 直径为0.4英寸的大尺寸封装。 这两条曲线均适用于9平方英寸的PWB。 这两条曲线均同标称数据紧密相关，同时都有助于估算改变产品说明书电路板结构所产生的影响。但是使用这一数据时需要多加谨慎，其假设9平方英寸PWB内没有其他功耗，而实际上并非如此。

　　图9.3 热流电气等效简化了温升估算