工程師不可不知的開關(guān)電源關(guān)鍵設(shè)計(jì)（六）(5)

　　五、開關(guān)電源紋波產(chǎn)生分析

　　隨著SWITCH 的開關(guān)，電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH 同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR 有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開關(guān)電源相同，為幾十到幾百KHz。

　　另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者M(jìn)OSFET，不管是哪種，在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH 上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

　　如果是AC／DC 變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的，對(duì)于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開關(guān)電源紋波的測(cè)量

　　基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線

　　1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。

　　2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。

　　3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。

　　還有一點(diǎn)是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測(cè)量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ 到10MΩ 的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。

　　上面是測(cè)量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測(cè)量。

　　在測(cè)量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級(jí)別。其他與上述相同。

　　可能不同的公司有不同的測(cè)試方法。歸根到底第一要清楚自己的測(cè)試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。

　　關(guān)于示波器：

　　有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門分開測(cè)量上述兩種紋波（噪聲）的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關(guān)于示波器的接地，電源測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，也可以看一下。

　　開關(guān)電源紋波的抑制

　　對(duì)于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：

　　1，加大電感和輸出電容濾波

　　根據(jù)開關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

　　同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/（Co×f）?？梢钥闯?，加大輸出電容值可以減小紋波。

　　通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR 也比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

　　同時(shí)，開關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端（以BucK 型為例，是SWITcH 附近），并聯(lián)電容來提供電流。

　　上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制，電感不會(huì)做的很大；輸出電容增加到一定程度，對(duì)減小紋波就沒有明顯的效果了；增加開關(guān)頻率，又會(huì)增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等，可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。

　　2，二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC 濾波器

　　LC 濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

　　采樣點(diǎn)選在LC 濾波器之前（Pa），輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

　　采樣點(diǎn)選在LC 濾波器之后（Pb），這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。

　　3，開關(guān)電源輸出之后，接LDO 濾波

　　這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線，如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。

　　對(duì)減小紋波。開關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師，對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。

　　4，在二極管上并電容C 或RC

　　二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC 振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC 緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

　　在二極管上并聯(lián)的電容C 或者RC，其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

　　對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān)，有很多書專門介紹。

　　5，二極管后接電感（EMI 濾波）

　　這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。

　　六、開關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)分析

　　摘要：開關(guān)電源PCB排版是開發(fā)電源產(chǎn)品中的一個(gè)重要過程。許多情況下，一個(gè)在紙上設(shè)計(jì)得非常完美的電源可能在初次調(diào)試時(shí)無法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問題．詳細(xì)討論了開關(guān)電源PCB排版的基本要點(diǎn)，并描述了一些實(shí)用的PCB排版例子。

　　0 引言

　　為了適應(yīng)電子產(chǎn)品飛快的更新?lián)Q代節(jié)奏，產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師更傾向于選擇在市場(chǎng)上很容易采購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統(tǒng)的線路板上。由于開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開關(guān)電源PCB排版與數(shù)字電路PCB排版完全不一樣。在數(shù)字電路排版中，許多數(shù)字芯片可以通過PCB軟件來自動(dòng)排列，且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動(dòng)連接。用自動(dòng)排版方式排出的開關(guān)電源肯定無法正常工作。所以，沒計(jì)人員需要對(duì)開關(guān)電源PCB排版基本規(guī)則和開關(guān)電源工作原理有一定的了解。

　　1 開關(guān)電源PCB排版基本要點(diǎn)

　　l.1 電容高頻濾波特性

　　圖1是電容器基本結(jié)構(gòu)和高頻等效模型。

　　電容的基本公式是

　　式（1）顯示，減小電容器極板之間的距離（d）和增加極板的截面積（A）將增加電容器的電容量。

　　電容通常存在等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）二個(gè)寄生參數(shù)。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗（Zc）。

　　一個(gè)電容器的諧振頻率（fo）可以從它自身電容量（C）和等效串聯(lián)電感量（LESL）得到，即

　　當(dāng)一個(gè)電容器工作頻率在fo以下時(shí)，其阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當(dāng)電容器工作頻率在fo以上時(shí)，其阻抗會(huì)隨頻率的上升而增加，即

　　當(dāng)電容器工作頻率接近fo時(shí)，電容阻抗就等于它的等效串聯(lián)電阻（RESR）。

　　電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯(lián)電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯(lián)電感，因而它的諧振頻率會(huì)高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯(lián)電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠(yuǎn)高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會(huì)比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在選擇旁路電容時(shí)不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個(gè)不同特性的電容器可以并聯(lián)起來使用。圖3是多個(gè)不同特性的電容器并聯(lián)后阻抗改善的效果。

　　電源排版基本要點(diǎn)1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯(lián)電感應(yīng)盡量小，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

　　圖4顯示了在一個(gè)PCB上輸入電源（Vin）至負(fù)載（RL）的不同走線方式。為了降低濾波電容器（C）的ESL，其引線長度應(yīng)盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負(fù)極至R1的走線應(yīng)盡量靠近。

　　1．2 電感高頻濾波特性

　　圖5中的電流環(huán)路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)R（t）將環(huán)繞在此環(huán)路的外部和內(nèi)部。如果高頻電流環(huán)路面積（Ac）很大，就會(huì)在此環(huán)路的內(nèi)外部產(chǎn)生很大的電磁干擾。

　　電感的基本公式是

　　從式（5）可知，減小環(huán)路的面積（Ac）和增加環(huán)路周長（lm）可減小L。

　　電感通常存在等效并聯(lián)電阻（EPR）和等效并聯(lián)電容（Cp）二個(gè)寄生參數(shù)。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗（ZL）。

　　諧振頻率（fo）可以從電感自身電感值（L）和它的等效并聯(lián)電容值（Cp）得到，即

　　當(dāng)一個(gè)電感工作頻率在fo以下時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即

　　當(dāng)電感工作頻率在fo以上時(shí)，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當(dāng)電感工作頻率接近fo時(shí)，電感阻抗就等于它的等效并聯(lián)電阻（REPR）。

　　在開關(guān)電源中電感的Cp應(yīng)該控制得越小越好。同時(shí)必須注意到，同一電感量的電感會(huì)由于線圈結(jié)構(gòu)不同而產(chǎn)生不同的Cp值。圖7就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結(jié)構(gòu)下不同的Cp值。圖7（a）電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線圈結(jié)構(gòu)的Cp值是l匝線圈等效并聯(lián)電容值（C）的1／5。圖7（b）電感的5匝繞組是按交叉順序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非?？拷?。這種線圈結(jié)構(gòu)所產(chǎn)牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。

　　可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值居然相差達(dá)數(shù)倍。在高頻濾波上如果一個(gè)電感的Cp值太大，高頻噪音就會(huì)很容易地通過Cp直接耦合到負(fù)載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

　　圖8顯示了在一個(gè)PCB上Vin通過L至負(fù)載（RL）的不同走線方式。為了降低電感的Cp，電感的二個(gè)引腳應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。而Vin正極至RL和Vin負(fù)極至RL的走線應(yīng)盡量靠近。

　　電源排版基本要點(diǎn)2 電感的寄生并聯(lián)電容應(yīng)盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠(yuǎn)越好。

　　1.3 鏡像面

　　電磁理論中的鏡像面概念對(duì)設(shè)計(jì)者掌握開關(guān)電源的PCB排版會(huì)有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。

　　圖9（a）是當(dāng)直流電流在一個(gè)接地層上方流過時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個(gè)地層面上。圖9（h）顯示當(dāng)高頻電流在同一個(gè)地層上方流過時(shí)的情景。此時(shí)在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒有電流。 一日．理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線的問題。接地層（Ground Plane），沒汁人員應(yīng)該盡量避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。一旦地層上的走線破壞了整個(gè)高頻環(huán)路，該電路會(huì)產(chǎn)牛很強(qiáng)的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

　　電源排版基本要點(diǎn)3 避免在地層上放置任何功率或信號(hào)走線。