开关电源纹波的产生、测量和抑制

一、产生分析

1、随着SWITCH 的开关，电感L 中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH 同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR 有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。

2、另外，SWITCH 一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH 上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D 在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
3、如果是AC／DC 变换器，除了上述两种纹波(噪声)以外，还有AC 噪声，频率是输入AC 电源的频率，为50～60Hz 左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。

如上所述，纹波和噪声是分开的概念：

纹波：☞电源波动中的低频成分，一般低于5MHz，产生原因为MOSFET的开关动作。

噪声：☞电源波动中的高频成分，一般高于5MHz，且成分较复杂，一般包括MOSFET的开关噪声、白噪声，以及周围信号的干扰等。

上图中，粗的正弦波就是纹波，而幅值很高的脉冲就是噪声。

二、使用示波器测量

1、去除示波器控头上的夹子与地线（因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯），使用接地环（不使用接地环也可以，不过要考虑其产生的误差），在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，用示波器的探针直接进行测试;如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。总之尽可能把减小测量回路。

2、使用AC耦合，去除直流成分。

3、打开20MHz带宽限制，防止高频噪声干扰。

三、开关电源纹波的抑制

1，加大电感和输出电容滤波

　　根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

　　同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

　　通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。

　　同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK 型为例，是SWITcH 附近)，并联电容来提供电流。

　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

2，二级滤波，就是再加一级LC 滤波器

　　LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

　　采样点选在LC 滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

　　采样点选在LC 滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。

　　3，开关电源输出之后，接LDO 滤波

　　这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，如右图是凌特公司LT3024 的曲线。

　　对减小纹波。开关电源的PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C 或RC，或串联电感。

　　4，在二极管上并电容C 或RC

　　二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

　　在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

　　对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

　　5，二极管后接电感（EMI 滤波）

　　这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。

从https://blog.csdn.net/msl369369/article/details/51841632引用的方法：

对于纹波和噪声的消除方法，常见的有吸收式滤波和反射式滤波：
吸收式滤波：吸收式滤波有电容和电容电路构成，可以将噪声彻底消除。
反射式滤波：由π，T或L或LC滤波电路组成，其原理是使直流信号无衰减的通过滤波电路，而频率较高的纹波和噪声则被返回至源端。利用了滤波电路的阻抗失配达成滤波效果。其特点是滤波电路并不能将噪声完全消除，干扰仍然存在于电路中。根据源端阻抗和负载端阻抗的不同，有以下四种反射式滤波电路可供选择。DC/DC电路中常用(a)和(c).

由于LC滤波电路的滤波原理是反射，干扰仍会存在于电路中，因此为避免这些干扰对其他电路的影响，需要采取其他一些措施：

1、增加滤波电容。单纯的电容和磁珠都具有将噪声完全滤除噪声的作用。

如上图所示，为减小输入端电源电路的干扰对电源电路的影响，需在A处放置电源滤波电路，其效果是将干扰反射回3.3V电源平面，而为避免反射的这些干扰对其他3.3V器件的影响，要在B处放置若干滤波电容。

2、将磁珠串联在LC滤波电路上，利用磁珠吸收电源干扰。如下图所示

这样既发挥了LC滤波电路的反射功能，又充分利用了磁珠对纹波和噪声等干扰的吸收功能。

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