一文掌握開關(guān)電源紋波測量和抑制方法

開關(guān)電源(包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊)與線性電源相比較，最突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達80%～85%，高的可達90%～97%;其次，開關(guān)電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應用范圍越來越廣。

但開關(guān)電源的缺點是由于其開關(guān)管工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右(低的為輸出電壓的0.5%左右)，最好產(chǎn)品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV;而線性電源的調(diào)整管工作于線性狀態(tài)，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

開關(guān)電源紋波的測量

要有效降低開關(guān)電源輸出紋波我們首先得有個比較靠譜的測試方法，不能是由于測試方法的問題而導致的假波形是整改不好的

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，防止測出錯誤的結(jié)果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。

3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測量，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量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

還有一點是要使用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)情況是使用標配100KΩ 到10MΩ 的探頭測量，影響暫時不清楚。

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

在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級別。其他與上述相同。

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

關(guān)于示波器：

有些數(shù)字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時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。

開關(guān)電源紋波的抑制

對于開關(guān)紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有五種：

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，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動。

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，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。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，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

同時，開關(guān)電源工作時，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關(guān)變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，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。

上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關(guān)頻率，又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴格時，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)電源設計手冊。

應用該對策后，BUCK型開關(guān)電源如下圖所示：

上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關(guān)頻率，又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴格時，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)電源設計手冊。

二級濾波，就是再加一級LC 濾波器

LC 濾波器對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。

但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點。(如下圖所示)

采樣點選在LC 濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產(chǎn)生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

采樣點選在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)部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細寫了。

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，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。

任何一款LDO 都有一項指標：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。

經(jīng)過LDO之后，開關(guān)紋波一般在10mV以下。

下圖是LDO前后的紋波對比：

對比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對幾百KHz的開關(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。

對減小紋波。開關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師，對于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級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。

對于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級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。

在二極管上并電容C 或RC

二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個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。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)過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

對高頻噪聲要求嚴格的話，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。

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際的要求。

小結(jié)

以上是關(guān)于開關(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，但對一般的應用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實際中并不一定全部應用，重要的是根據(jù)自己的設計要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等，選擇合適的方法。