一文搞定開(kāi)關(guān)電源紋波的產(chǎn)生、測(cè)量及抑制

開(kāi)關(guān)電源紋波不可避免，我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達(dá)到這個(gè)目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生，首先要清楚開(kāi)關(guān)電源紋波的種類和產(chǎn)生原因。

上圖是開(kāi)關(guān)電源中最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-buck降壓型電源

隨著SWITCH的開(kāi)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(shuō)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(kāi)關(guān)電源相同，范圍為幾十到幾百KHz。

另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，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(kāi)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。

開(kāi)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(kāi)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(mén)沒(méi)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50?終端。示波器的資料上介紹說(shuō)，50?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(mén)的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100K?到10M?的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。

上面是測(cè)量開(kāi)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50?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?？赡懿煌?a target="_blank">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。

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(wú)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。

開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制

對(duì)于開(kāi)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(kāi)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。

上圖是開(kāi)關(guān)電源電感L內(nèi)的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值，或者提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。

同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：Vripple=Imax/（Co×f）。?可以看出，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(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開(kāi)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(lái)提供電流。

應(yīng)用該對(duì)策后，BUCK型開(kāi)關(guān)電源如下圖所示：

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(méi)有明顯的效果了；增加開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì)增加開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的原理等，可以參考各類開(kāi)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。這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。（如下圖所示）

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。

3.開(kāi)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，如下圖是凌特公司LT3024的曲線。

經(jīng)過(guò)LDO之后，開(kāi)關(guān)紋波一般在10mV以下。下圖是LDO前后的紋波對(duì)比：

對(duì)比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對(duì)幾百KHz的開(kāi)關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi)，該LDO的效果就不那么理想了。

對(duì)減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵。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(mén)的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感。

上圖是實(shí)際用二極管的等效電路。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-100 ?Ω，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(guò)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。

小結(jié)

以上是關(guān)于開(kāi)關(guān)電源紋波，總結(jié)的一些內(nèi)容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對(duì)一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用，重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開(kāi)發(fā)周期等，選擇合適的方法。

審核編輯：湯梓紅