開關電源紋波的產生與抑制

　　開關電源紋波的產生

　　我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達到這個目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產生，首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。

　　上圖是開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。

　　隨著SWITCH的開關，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同，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，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時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，會引起諧振，產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，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。

　　因為本人是做汽車電子研發的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開關電源紋波的測量

　　基本要求：

　　使用示波器AC耦合

　　20MHz帶寬限制

　　拔掉探頭的地線

　　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，使用接地環測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環，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?？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。第二要得到客戶認可。

　　關于示波器：

　　有些數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，但表現要比數字示波器好。

　　克公司有專門分開測量上述兩種紋波（噪聲）的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關于示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。

　　開關電源紋波的抑制

　　對于開關紋波，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三種：

　　1，加大電感和輸出電容濾波

　　根據開關電源的公式，電感內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。

　　左圖是開關電源電感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，或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。

　　同樣，輸出紋波與輸出電容的關系：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，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

　　同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關變化的。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），并聯電容來提供電流。

　　應用該對策后，BUCK型開關電源如下圖所示：

　　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；增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法并不是很好。

　　關于開關電源的原理等，可以參考各類開關電源設計手冊。