频率

关于模拟电路，你了解多少？（五）

由 526095766_642 提交于周一, 20 五月 2019 - 16:00

晶振

晶振通常分为无源晶振和有源晶振两种类型。

有源晶振：一个完整的谐振振荡器，利用石英晶体的压电效应起振，因此仅需要外部供电，而无需外接其它器件即可主动产生振荡频率，并且能够提供高精度的频率基准，信号质量比无源晶振信号更好。有源晶振通常拥有 VCC 引脚、GND 引脚、晶振输出引脚、未使用的悬空引脚（有时也作为使能引脚）4 个引脚。

<a href="http://mouser.eetrend.com/content/2019/100018350.html">上一篇</a>文章中，介绍了开关电源输入用共模滤波器中包括电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等部件。接下来将对其中使用电容和电感降噪的对策进行介绍，这也可以称为“噪声对策的基础”。在这里使用简单的四元件模型。如果要进一步表达高频谐振时，可能需要更多的元件模型。

电容的频率特性

探讨利用电容器来降低噪声时，充分了解电容器的特性是非常重要的。右下图为电容器的阻抗和频率之间的关系示意图，是电容器最基础的特性之一。

电容器中不仅存在电容量C，还存在电阻分量ESR（等效串联电阻）、电感分量ESL（等效串联电感）、与电容并联存在的EPR（等效并联电阻）。EPR与电极间的绝缘电阻IR或电极间有漏电流的具有相同的意义。可能一般多使用“IR”。

相信这本《运放电路的频率特性和滤波器》，大家都已期待良久。毕竟它所涵盖的知识要点，无论是从技术上讲还是从艺术看，含金量都异常之高。学模电的你，必然也知道运放电路的频率特性是模拟电子技术中一个极为重要的环节。此外，书中所谈的滤波也只是一个动作，对不同频率输入信号实施不同的增益和相移，从而形成输出；至于滤波器嘛，自然就是执行这个动作的硬件设备或软件程序咯......

估计很多新手工程师在设计开关电源计算变压器时发现，把电源的开关频率提高后变压器磁芯更加不容易饱和，或者说可以用更小的磁性做出同样功率的电源，甚至在想把开关频率无限制提高来无限制缩小变压器的体积。

但实际上一般开关电源的频率都不会特别高，也不可能使频率无限提高，其中到底有哪些原因？请看下文！

器件限制、损耗、EMI、PCB布局难度提升等问题都是制约开关频率无限提升的因素，下面稍微展开来讲一下！

01、器件的限制

对于一个开关管来说，在实际应用中，不是给个驱动就开，驱动撤掉就关了。它有开通延迟时间（tdon），上升时间（tr），关断延迟时间（tdoff），下降时间tf，对应的波形如下：

（1）测量脉冲信号频率fo，频率范围为10Hz～2MHz，测量误差的绝对值不大于0.1%。

（2）测量脉冲信号占空比D，测量范围为10%～90%，测量误差的绝对值不大于2%。

使用官方STM32F429 Discovery开发板，主频180MHz，定时器频率90MHz。

思路一、外部中断

这种方法是很容易想到的，而且对几乎所有MCU都适用（连51都可以）。方法也很简单，声明一个计数变量TIM_cnt，每次一个上升沿/下降沿就进入一次中断，对TIM_cnt++，然后定时统计即可。如果需要占空比，那么就另外用一个定时器统计上升沿、下降沿之间的时间即可。

缺陷显而易见，当频率提高，将会频繁进入中断，占用大量时间。而当频率超过100kHz时，中断程序时间甚至将超过脉冲周期，产生巨大误差。同时更重要的是，想要测量的占空比由于受到中断程序影响，误差将越来越大。

笔者当时第一时间就把这个方案PASS了，没有相关代码（这个代码也很简单）。不过，该方法在频率较低（10kHz以下）时，可以拿来测量频率。在频率更低的情况下，可以拿来测占空比。

思路二、PWM输入模式

一、电解电容纹波电流及频率测试方法！

在设计开关电源时，选型电解电容时其中纹波电流是一个很重要的指标，既要经过理论计算也要经过实际测量来保证电解电容的安全工作！

1、电容纹波电流测试连接方法

A.电容测试时使用的导线应选用横截面面积0.5mm2(AWG20)以上的导线,如下图:

当频率很高时，电容不再被当做集总参数看待，寄生参数的影响不可忽略。寄生参数包括Rs，等效串联电阻（ESR）和Ls等效串联电感（ESL）。

电容器实际等效电路如图1所示，其中C为静电容，1Rp为泄漏电阻，也称为绝缘电阻，值越大（通常在GΩ级以上），漏电越小，性能也就越可靠。因为Pp通常很大（GΩ级以上），所以在实际应用中可以忽略，Cda和Rda分别为介质吸收电容和介质吸收电阻。介质吸收是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电后处于开路状态的电容器恢复一部分电荷。

ESR和ESL对电容的高频特性影响最大，所以常用如图1（b）所示的串联RLC简化模型，可以计算出谐振频率和等效阻抗：