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(lèi)和產(chǎn)生原因。
上圖是開(kāi)關(guān)電源中最簡(jiǎn)單的拓撲結構-buck降壓型電源
隨著(zhù)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M(jìn)OSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時(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 )出現一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復瞬間，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)生的等效電容導致的。
開(kāi)關(guān)電源紋波的測量
基本要求：
使用示波器AC耦合
20MHz帶寬限制
拔掉探頭的地線(xiàn)
1.AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。
2.打開(kāi)20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時(shí)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(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。示波器的資料上介紹說(shuō)，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(zhuān)門(mén)的探頭，大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時(shí)不清楚。
上面是測量開(kāi)關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應該用雙絞線(xiàn)，或者50Ω同軸電纜方式測量。
在測量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同�？赡懿煌墓居胁煌臏y試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。
關(guān)于示波器：
有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無(wú)法正確的測量出紋波。這時(shí)應更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現要比數字示波器好。
開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制
對于開(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
根據開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內電流波動(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(huì )在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補鋁電解電容的不足。
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。
應用該對策后，BUCK型開(kāi)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(huì )做的很大；輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒(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(lèi)開(kāi)關(guān)電源設計手冊。
2.二級濾波，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，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，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。因為任何電感都有一個(gè)直流電阻，當有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì )有壓降產(chǎn)生，導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內部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì )導致系統不穩定。
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，不需要改變原有的反饋系統，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(xiàn)，如下圖是凌特公司LT3024的曲線(xiàn)。
經(jīng)過(guò)LDO之后，開(kāi)關(guān)紋波一般在10mV以下。下圖是LDO前后的紋波對比：
對比曲線(xiàn)上圖的曲線(xiàn)和左圖的波形，可以看出對幾百KHz的開(kāi)關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內，該LDO的效果就不那么理想了。
對減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB布線(xiàn)也非常關(guān)鍵。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(zhuān)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。二極管高速導通截止時(shí)，要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間，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)反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會(huì )造成更嚴重的振蕩。
小結
以上是關(guān)于開(kāi)關(guān)電源紋波，總結的一些內容，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(shí)際中并不一定全部應用，重要的是根據自己的設計要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開(kāi)發(fā)周期等，選擇合適的方法。 |
