開關(guān)電源的紋波噪聲如何抑制

一、引言

開關(guān)電源因其高效率、小體積、輕重量等優(yōu)點，在現(xiàn)代電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。然而，開關(guān)電源在工作過程中會產(chǎn)生紋波噪聲，這些噪聲不僅會影響電源本身的性能，還可能對后續(xù)電路造成不良影響。因此，如何有效抑制開關(guān)電源的紋波噪聲，成為了電源設(shè)計領(lǐng)域的重要課題。本文將詳細(xì)探討開關(guān)電源紋波噪聲的抑制方法，以期為電源設(shè)計和應(yīng)用提供參考。

二、開關(guān)電源紋波噪聲的產(chǎn)生原因

開關(guān)電源的紋波噪聲主要來源于以下幾個方面：

電源本身的不穩(wěn)定性：電壓調(diào)節(jié)器和整流電源等電源設(shè)備在工作時可能存在一定的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致輸出電壓發(fā)生波動。

電源負(fù)載變化：當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生變化時，電源可能無法立即提供穩(wěn)定的電壓，導(dǎo)致輸出電壓產(chǎn)生波動。

電源線傳輸損耗：電源線路中存在一定的電阻和電感，當(dāng)通過這些線路傳輸電能時，可能會導(dǎo)致電壓波動。

干擾電源：附近的電子設(shè)備可能會干擾電源的工作，導(dǎo)致輸出電壓波動。

三、開關(guān)電源紋波噪聲的抑制方法

針對開關(guān)電源紋波噪聲的產(chǎn)生原因，我們可以采取以下方法來抑制紋波噪聲：

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。因此，加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。通常的做法是，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)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，且ESR（等效串聯(lián)電阻）也比較大。為了彌補這一不足，可以在電解電容旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容。此外，開關(guān)電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但電流是隨開關(guān)變化的。因此，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，也可以對減小紋波起到一定的作用。

二級濾波

在輸出端再加一級LC濾波器，可以有效抑制噪紋波。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，一般能夠很好地減小紋波。但需要注意的是，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(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，在選擇LC濾波器時，需要綜合考慮其對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

使用LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）濾波

在開關(guān)電源輸出之后，接LDO濾波是減少紋波和噪聲最有效的辦法。LDO具有輸出電壓恒定、不需要改變原有反饋系統(tǒng)的優(yōu)點，但同時也是成本最高、功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項指標(biāo)：噪音抑制比（PSRR），它是一條頻率-dB曲線，表示LDO對紋波和噪聲的抑制能力。

優(yōu)化PCB布線

開關(guān)電源的PCB布線對抑制紋波噪聲也非常關(guān)鍵。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。因此，在PCB布線時，需要特別注意高頻噪聲的抑制。簡單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感，以減小高頻噪聲的傳播。

分布式抑制方式

一種減小紋波噪聲的開關(guān)電源模塊及其抑制方法采用了分布式的抑制方式。該模塊包括開關(guān)電源、紋波抑制模塊和噪聲抑制模塊。紋波抑制模塊包括第一級分壓單元和N個低壓差線性穩(wěn)壓單元（LDO1, LDO2, … LDON）；噪聲抑制模塊包括第二級分壓單元和M個磁珠單元，第二級分壓單元將直流電壓（V1, V2, … VN）通過M個磁珠單元分配給M個需要不同或相同直流電壓的負(fù)載供電。根據(jù)每路負(fù)載對負(fù)載供電電壓紋波噪聲的頻段需求，選取相應(yīng)磁珠的等效阻抗參數(shù)，從而實現(xiàn)有效的紋波抑制。

四、總結(jié)

本文詳細(xì)探討了開關(guān)電源紋波噪聲的抑制方法，包括加大電感和輸出電容濾波、二級濾波、使用LDO濾波、優(yōu)化PCB布線以及分布式抑制方式等。這些方法各有優(yōu)缺點，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景和需求來選擇合適的抑制方法。在實際應(yīng)用中，還可以結(jié)合多種方法來達(dá)到更好的抑制效果。未來，隨著電源設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，相信會有更多有效的紋波噪聲抑制方法被提出和應(yīng)用。