嵌入式硬件杂谈(八)电源的“纹波”到底是什么?

纹波的引入:在我们嵌入式设备中,很多时候电路电源的纹波很敏感,纹波太大会导致系统不工作,因此设计一个纹波很小的电路就是我们的需求了。

电路的纹波是什么?

纹波(Ripple)是指电源输出中叠加在直流电压上的周期性波动成分,通常是由于交流电源整流和开关电源的工作原理所引入的。它表现为输出直流信号上的周期性波形,主要包括低频和高频的正弦或脉冲信号。

纹波的来源

整流电路 在交流电整流为直流的过程中,由于滤波器(如电容)的容量不足,会在直流电中留下未完全消除的波动,通常表现为工频纹波(如 50Hz 或 60Hz)。

开关电源 开关电源通过高频开关工作,导致输出电压中可能存在高频的脉动分量,这是由于高频开关噪声和电感/电容滤波不足造成的。

负载波动 当负载变化时,电源调节响应可能滞后,导致短时间内出现电压波动。

因此如下图的才是纹波,其他两幅图中的都不是纹波。

下面这两幅图都不是纹波。

首先我们要知道电源分为线性电源和开关电源,他们都可以把一个电压转为另一个电压,但是在转变的过程中,他们会表现出不同的特性,这个问题在之前我们的硬件篇中也有讲过,

线性电源的内部原理

线性电源是一种通过线性调节器对电压进行稳压的电源类型,其核心是利用串联调整元件工作在线性区进行电压调节。

输入整流和滤波:交流输入电压通过整流桥整流成脉动直流电压,再通过滤波电容(或电感-电容组合)滤波,形成一个相对平滑的直流电压。

稳压电路:使用一个串联调整元件(如晶体管或 MOSFET),与负载串联,调节输出电压。

调整元件根据误差放大器的反馈信号工作在线性区,调整通过的电流大小。

反馈控制:输出电压通过采样电路与参考电压(如基准二极管产生的稳定电压)进行比较。

误差放大器放大两者的差值,控制调整元件,以稳定输出电压。

表现出来的特性也不算纹波了,纹波淹没在其中了。

开关电源的内部原理

开关电源(Switching Power Supply)是一种通过高频开关技术将电能高效转化的电源类型,其调节方式基于开关元件的开断操作。

输入整流和滤波:将交流电压整流成直流电压,通过滤波器消除工频噪声。

高频转换:开关元件(如 MOSFET)在高频(几十 kHz 到几 MHz)下工作,通过脉宽调制(PWM)控制开关占空比,调节输出电压。高频变压器在此阶段将输入电压升压或降压。

输出整流和滤波:高频脉冲电压通过二极管整流,再通过电容和电感滤波,形成稳定的直流电压输出。

反馈控制:采样输出电压,与参考电压比较后,将误差信号反馈到控制电路,调节开关元件的占空比。

不产生纹波的电源

电源中要做到完全不产生纹波几乎是不可能的,但纹波的幅度可以被极大地抑制。以下是一些关键点:线性稳压器是实现低纹波的最佳选择:线性稳压器通过调整元件(如三极管或 MOSFET)在其线性工作区内连续调整输出电压,能够平滑输入电压的波动。它不会像开关电源那样使用高频开关操作,因此没有开关引起的高频纹波。滤波器和反馈控制可以将输入端残余的低频纹波进一步抑制,使得输出电压极其平稳。大部分剩余干扰信号可能是系统噪声:系统噪声可能来源于输入电源的电磁干扰(EMI)、电路板的寄生效应或者外部环境。线性稳压器的高频抑制特性可以减少这些噪声传导到输出端。

 开关电源一定会产生纹波

开关电源的工作原理决定了它必然会产生纹波,且纹波大小是衡量开关电源质量的重要指标:纹波产生的原因:高频开关动作(开关管的导通和关断)会引入尖峰电压和电流,形成高频纹波。高频变压器、电感和电容中的寄生效应也会导致高频纹波。输出滤波器的设计不足或元件选型不当可能加剧纹波的幅度。纹波大小是衡量开关电源性能的关键指标:高品质开关电源会通过更好的滤波设计(如 LC 滤波器、多级滤波)和优化电磁兼容性(EMC)的设计,来尽量减小纹波。即便如此,开关电源的纹波水平通常比线性电源高,尤其在高频端。

使用线性稳压器实现低纹波设计的优势

如果需要设计纹波极小的电源,线性稳压器是更好的选择,原因包括:本质低纹波:线性稳压器没有高频开关操作,不会引入高频纹波。其输出的低频纹波主要由输入端工频纹波决定,可以通过合理选择滤波电容容量和种类来进一步抑制。更好的噪声抑制性能:线性稳压器可以有效滤除输入端的高频噪声和低频波动,使得输出更加稳定。适用于对噪声和纹波敏感的场景,如音频设备、精密测量仪器和通信设备。设计简单:与开关电源相比,线性电源的电路设计和调试更加简单,不需要考虑高频开关噪声的复杂抑制措施。

选择线性稳压器的注意事项

虽然线性稳压器在纹波性能上表现出色,但在设计时也需要注意其缺点:效率较低:线性稳压器通过调整元件线性降低电压,多余的能量以热的形式耗散,因此效率较低,尤其是在输入电压和输出电压相差较大的情况下。功率限制:由于热损耗问题,线性稳压器的功率输出有限,不适合大功率场合。输入输出差距的限制:线性稳压器要求输入电压高于输出电压(称为压差),通常需要设计预留足够的压差。

因此不产生纹波,抑制输入电压波动,大部分测到的是系统噪声的,而开关电源一定产生纹波,纹波大小是衡量开关电源的指标,如果想设计纹波很小的电源,用线性稳压器才是不错的选择。

特性线性电源开关电源
主要纹波来源工频整流后的残余纹波高频开关操作和 EMI
纹波频率低频(50Hz 或 60Hz)高频(kHz 至 MHz 级别)
纹波幅度非常小,通常在毫伏级别较大,通常在几十到几百毫伏范围
控制难度易于通过滤波和反馈控制抑制难度较高,需设计多级滤波

多小的纹波才算小?

纹波电压评价适用场景
< 1 mV极小精密测量仪器(如医疗设备、实验室用精密电源)。
1 - 10 mV很小高端音频设备、低噪声通信设备、模拟电路供电。
10 - 50 mV一般数字电路、电机驱动、普通嵌入式设备。
50 - 100 mV中等开关电源常见水平,适用于功耗较大且对噪声不敏感的设备(如家用电器)。
> 100 mV较大对噪声敏感性低的设备或非关键性供电场景。

纹波的允许范围因应用不同而异:

(1)模拟电路和精密设备

  • 纹波越小越好,通常小于1 mV

  • 例如:

    • 高精度ADC/DAC:纹波可能直接影响信号质量。

    • 医疗设备:如心电图仪和超声波仪器,需要非常干净的电源供电。

(2)数字电路

  • 数字电路相对耐受一些,但纹波过大会引发逻辑错误。

  • 典型需求:

    • 一般数字电路:纹波小于50 mV即可。

    • 对噪声敏感的高速通信接口或高速处理器:纹波应控制在10 mV以内。

(3)功率电子和电机驱动

  • 功率驱动器和大功率负载对纹波要求较低,可以接受较大的纹波(50-100 mV或更高)。

  • 例如:

    • 工业电机控制、电池充电设备。

(4)音频设备

  • 音频设备的纹波会影响噪声水平:

    • 高端音频设备通常要求纹波小于5 mV,以避免听得见的电源噪声。

    • 一般音响设备:纹波小于10-20 mV即可。

(5)嵌入式系统和单片机

  • 典型的单片机和嵌入式系统要求纹波在10-50 mV范围内。

  • 如果系统包含精密传感器模块,可能需要更低的纹波。

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