降低电源纹波噪声的方法

一、降低电源纹波噪声只需三步

降低电源纹波噪声只需三步

描述

在应用电源模块常见的问题中，降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低？下文为大家从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发，阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。

一、电源的纹波与噪声介绍

纹波和噪声即：直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波，高频杂音为噪声。具体如图1所示，频率较低且有规律的波动为纹波，尖峰部分为噪声。

图1

二、纹波噪声的测试方法

对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试，业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中，平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品，靠测法用于模块引脚间距小的产品。

但不管用平行线测试法还是靠测法，都需要限制示波器的带宽为20MHz。具体如图2和图3所示。

图2 平行线测试法

注1：C1为高频电容，容量为1μF；C2为钽电容，容量为10μF。

注2：两平行铜箔带之间的距离为2.5mm，两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。

图3 靠测法

三、去除地线夹测试的区别

测试纹波噪声需要把地线夹去掉，主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声，不能真实反映电源的输出纹波噪声，影响测量结果。下面的图4和图5分别展示了对同一个产品，使用地线夹及取下地线夹测试的巨大差异。

图4 使用地线夹测试-示波器垂直分辨率200mv/div

图5 去除地线夹测试-示波器垂直分辨率50mv/div

四、设计上PCB布局的影响

好与坏的PCB布局，是设计上影响纹波噪声的关键因素。差的PCB布局如图6所示，变压器输出的地，直接通过过孔连到背部的地平面，地平面连接电源的输出引脚。此布局在输出5V/2A的负载下，实测电源尖峰达1.5V VP-P。变压器上的噪声没有经过输出的滤波电容直接通过了输出引脚，导致纹波噪声很大。

图6 差的PCB布局

如图7所示是比较好的PCB布局，调整了变压器的位置，将变压器输出地通过两个电容后，再回到地平面和输出引脚相连。实测在相同5V/2A输出的负载下，噪声已降到60mV VP-P，差别显著。

图7 好的PCB布局

五、输出滤波电容的影响

输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。ZLG致远电子P0505FLS-1W测试纹波噪声，外部不加外接电容，测试输出的纹波噪声，如图8所示，约为52mV。同样的输入、负载条件下，电源的输出端放置MLCC，实测电源输出的纹波噪声降到不到36mV。

图8 无外接电容

图9 外加电容

实际应用时，电容除容量、ESR外，建议负载端的电容在回到电源之前，先汇集到输出电容，经过电容滤波后，再回到电源，从而有效降低纹波噪声对电路的影响。如图10所示。

图10 外部电容的位置

六、电感对纹波噪声的影响

电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地，感量大时对纹波抑制作用明显，寄生电容小的电感对噪声抑制效果好。以对纹波抑制为例，测试对电源输出纹波的影响，测试图如图11所示。

图11 测试电感滤波效果用例

根据图11，我们先人为的把产品内部的滤波电感短路，只用电容滤波，测得纹波噪声如图12所示，纹波峰峰值约50mV。

图12 人为短路内部滤波电感的纹波噪声图

下一步，在电源外部增加一个LC电路，在相同输入、负载条件下，重测纹波噪声图，如图13所示，纹波已接近直线，非常小。

图13 外加LC的纹波噪声图

七、非纹波的震荡处理

前面介绍了纹波是与开关电源的工作频率相关，但是还有另外一种震荡是与负载的工作频率相关的，如图14所示。

图14 负载工作周期大约1.1s

DC-DC电源模块给MCU、晶振、WiFi模块等电路同时供电，WIFI模块会继续周期性的扫描，扫描开启时，电源模块电流会增加，使得模块输出电压瞬间会有一个下降；同理扫描关断时，模块输出电压会上升突变。

这种模块输出电压的突变，并不是产品本身的纹波噪声，而是由于负载电流的突变，释放了电容电压。减小这类纹波的最好办法，是在负载前段增加π滤波器。

小结：

以上简单从纹波噪声的图例、测试方法开始，描述从电源设计、外部电路应用出发，结合实际测试比较几种降低纹波噪声的方法。实际的工程应用中还需考虑电容、电感的负载效应、自激影响等，需再做深究。

如果在电源模块选型中，选用低纹波噪声的电源模块，可省去外围电路的搭建。致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累，打造自主电源IC，推出P系列全工况优选型DC-DC电源，结合合理的PCB设计以及测试规范，较传统设计，纹波噪声低至50mV，为用户打造高可靠性供电环境。并且模块满载效率高达85%，轻载效率仍高至79%，保证全工况高效供电，有效降低电源温升，最大程度保证用户产品的可靠性，是板级直流供电的理想解决方案。

降低开关电源纹波的三个要素_PopuIar FeeIing的博客-CSDN博客

二、关电源纹波五种来源和处理方式

开关电源纹波来源及处理方式

关电源纹波五种来源：

1、100Hz的低频纹波

　　　　起因：工频AC整流后得到100Hz的馒头波。

解决办法：

由上面公式可知，通过并联大电容来增加输出电容，或者提高开关频率，或者减小ESL，可以有效地减小纹波。

　　　　　　　　将电解电容使用贴片电容代替，将有效地减小ESR引起的纹波【3】。

2、高频开关信号引起的纹波

　　　　起因：由于开关器件的硬开通和硬关断，产生尖脉冲造成的开关噪声。

　　　　解决办法：　　　　　　　　

　　　　　　　　通过并联小电容来实现高频滤波。

　　　　　　　　通过提高开关频率，来减小输出电容电流的变化率。

　　　　　　　　通过增加驱动信号到场效应管的栅源电阻来抑制高频脉冲尖峰，但是会增加损耗。（适当增加会减少噪声，但是会增加在该电阻上的损耗）

3、寄生参数引起的共模纹波噪声

　　　　起因：多数功率开关器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的

解决办法：

　　　　　　　　通过采用快恢复二极管器件。

通过改善PCB线路布局来减小寄生电感。

　　　　　　　　通过在输入端设计专用的EMI滤波器。

4、超高频开关引起的谐波噪声

起因：功率器件结电容与线路寄生电感引起谐振，该频率一般MHz以上。

例如：二极管反向恢复期间，其等效电容与线路寄生电感发生谐振。

　　　　解决办法：

　　　　　　　　通过减小大电流的布线长度来减小寄生电感。

　　　　　　　　通过选用结电容小的开关管。

　　　　　　　　通过串联磁珠来抑制高频噪声。

5、闭环调节控制引起的纹波噪声

起因：在进行反馈调节时，更改新的占空比会引起输出电压跳动，造成新的纹波。（该纹波可能引起输出跳动）

特点：该纹波的频率小于等于反馈的调节频率。

　　　　解决办法：通过调节反馈算法来降低

注意：

　　　　有资料称：纹波主要来源于以下四个方面【2】：

　　　　　　　　　　1、电容的ESR引起的矩形波分量

　　　　　　　　　　2、电容的ESL引起的尖峰

　　　　　　　　　　3、电容的充放电引起的三角波分量

　　　　　　　　　　4、系统的开关噪声引起的

对于矩阵波电流，输出电压有以下三种成分叠加：

问题：为什么测量纹波的时候，需要使用20MH的带宽，还要使用短的接地环？

为了减少干扰，部分测试标准中还要求并联电容。

参考资料：

　　　　【1】电源纹波噪声都是来自这5个方面！.电源纹波噪声都是来自这5个方面！

　　　　【2】系统供电技术-如何控制电源的纹波及噪声分析与控制！.电子产品物联战略及电磁兼容EMC.2018-06-24

　　　　【3】输入电容器的选型要着眼于纹波电流、ESR、ESL.输入电容器选型要着眼于纹波电流、ESR、ESL - 罗姆(ROHM) - 电子技术论坛 - 广受欢迎的专业电子论坛!

三、降低电源纹波5种方法

输出纹波是指直流电源输出时，叠加在直流稳定量上的交流分量。用示波器来看，会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹波。

1、加大电感和输出电容滤波

　　根据LED驱动电源的公式，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。

　　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，LED驱动电源工作时，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。

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。但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。

　　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。

3、LED驱动电源输出之后，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。
　　经过LDO之后，纹波一般在10mV以下。

4、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。

5、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。

四、开关电源要降低纹波主要要在以下三个方面下功夫：

1、储能电感。储能电感在工作频率下的Q值越大越好，很多人只注意到电感量，其实Q值的影响要大得多，电感量只要满足要求允许在很大范围内波动。

2、滤波电容。滤波电容的ESR和ESL是非常重要的参数，越低越好，仅追求容量是远远不够的，当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下，容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解的组合，纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解（低ESL型）配合。

3、PCB设计。开关电源的PCB设计非常重要，在前两个条件都满足时如果纹波参数还是达不到手册中载明的数值，问题就可以肯定是出在PCB上，开关电源芯片的取样及滤波回路的设计非常讲究，PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差，严重时甚至可能导致自激（一般在特定的负载强度下发生），故不得不查。原则是取样回路和滤波回路要尽量贴近开关电源IC，PCB走线不可太长、太细，类似的储能电感也有同样原则，只是影响稍小，布局、走线不利相当于降低了电感的Q值。

最后要说的是，因开关电源IC的内电路设计不同纹波指标也是不同的，多数情况下，开关频率高的容易获得较低的纹波，但价格及对外围元件的要求相对更高，所以要根据需要合理选择，够用即可，否则要付出不必要的成本，器件手册的仔细阅读及理解是第一步。
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五、解答降低纹波

如何减少DC-DC输出端的纹波？_专治PCB疑难杂症—杨老师的博客-CSDN博客_dcdc电源纹波大怎么解决

六、信号完整性系列之“如何降低电源纹波噪声

信号完整性系列之“如何降低电源纹波噪声”-面包板社区

七、一文吃透电源中的纹波、噪声和谐波

一文吃透电源中的纹波、噪声和谐波 - 花形 - 博客园

八、有哪些可以降低电源输出纹波噪声的方法？

有哪些可以降低电源输出纹波噪声的方法？_-互联网文档类资源-CSDN下载

我们要怎么降低电源输出纹波噪声？纹波噪声是衡量电源的一个重要指标，一个好的电源必须要把输出纹波噪

声控制在一个合理的范围内。下文将列出八个降低电源输出纹波噪声的对策，希望对各位朋友有所帮助。

1、电源PCB走线和布局

反馈线路应避开磁性元件、开关管及功率二极管。

输出滤波电容放置及走线对纹波噪声至关重要，如图1所示，传统设计中由于到达每个电容的阻抗不一样，所以高频电流在三

个电容中分配不均匀，改进设计中可以看出每个回路长度相当即高频电流会均匀分配到每个电容中。

如果PCB是多层板，可以选择和主电流回路层最近一层覆地，覆地可以有效的解决噪声问题，注意，尽量保证覆地的完整

性。

2、场效应管D级与输入正之间加RCD

一般选择场效应管的反向恢复时间要比二极管D1慢2~3倍，以避免形成直通电流，此电流会产生很强的磁场，可增大输出噪声

干扰，所以可人为的通过栅极电阻R4来减慢开关管的开关速度。为了不影响关断速度可以在栅极电阻并联一个二极管D2如图

2所示。

3、场效应管DS端并联RC

可以在场效应管DS两端并联一个RC电路也可以有效的降低噪声干扰如图2所示，电容C2一般在100P左右，电容值过大会导致

场效应管的开关损耗加大，电阻R2一般选取小于10Ω电阻。

4、输出二极管两端并联RC

二极管在高速导通和关断时，反向恢复期间，二极管的寄生电感和电容会产生高频振荡，为了抑制高频振荡可在二极管两端加

RC缓冲电路如图2所示，电阻R3一般在1Ω~100Ω，电容C3一般在100pF~1nF，如果电源工作频率较低，效率满足要求的话，

二极管D3可以选择反向恢复时间较慢的二极管。

5、输出加二级LC滤波

LC对噪声和纹波抑制效果比较明显，根据纹波频率选择合适电感电容值，但由于柱形电感价格低体积小的优点，所以一般LC

中电感大都会选择柱形电感，然而柱形电感是开放式磁结构，对周围会产生较严重磁干扰，我们可以采用两个电感并排放置，

且电流流入方向相反，即有助于引导磁通从一个磁柱到另一个磁柱，从而可以降低电磁干扰，如图3所示。

6、变压器初次级之间加法拉第屏蔽层

变压器的绕组通过高频电流时，变压器将变成有效的磁场天线，变压器绕组又承受跳跃电压，即变压器也变成了电场天线，在

初次级之间加法拉第屏蔽层可收集隔离边界处的噪声电流，并予以转移到原边地，但铜箔应为非常薄的铜箔带，尽量避免涡流

损耗并减小漏感，注意，铜屏蔽层末端不应有电连接，否则会形成磁短路。

7、降低变压器漏感

采用三明治绕法可使初次级绕组耦合更加紧密，使漏感得以减小，从而到达减小噪声的目的。

8、变压器输出绕组并联的合理设计

当电源输出电流较大时，通常我们会采用两个绕组并联的方式进行使用，这两个绕组通常分置于原边绕组内外，所以直流阻抗

会略有差异，从而有可能产生内部环流，电压波形也会出现严重的振铃，并且电磁干扰会变的更加严重，以及有可能会出现意

外的大量发热，如果输出绕组一定需要并联使用，最好采用如图4的推荐电路，图4推荐电路中二极管可以消除两个不同绕组

的不均匀导致的负面影响。

小结：

在设计电源时，有上述八种方式可降低输出的纹波噪声，如果选用成品电源，不管是模块电源、普通开关电源、电源适配器

等，这部分的工作一般都由电源设计厂家完成，客户只需关注规格书写明的输出纹波噪声即可。如ZLG的模块电源，会标出典

型的纹波噪声值，如E_FLS-1W系列，典型值为60mV VP-P。