如何測(cè)量開關(guān)電源紋波 開關(guān)電源的紋波抑制

開關(guān)穩(wěn)壓電源非常關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)就是紋波，它主要是由開關(guān)變換的方式導(dǎo)致的，也因紋波的存在會(huì)影響到后續(xù)電路的工作，尤其是在對(duì)紋波比較敏感的場(chǎng)合下。如何正確測(cè)量開關(guān)電源紋波？如何有效抑制開關(guān)電源的紋波以達(dá)到供電電路的要求？這些都是PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握的重要技能。

開關(guān)電源紋波的測(cè)量

要有效降低開關(guān)電源輸出紋波我們首先得有個(gè)比較靠譜的測(cè)試方法，由于測(cè)試方法的問題而導(dǎo)致的假波形是整改不好的

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(zhǔn)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(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。

3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)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。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω模塊是除去DC成分，精que測(cè)量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。

上面是測(cè)量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測(cè)量。

在測(cè)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(jí)別。其他與上述相同。

可能不同的公司有不同的測(cè)試方法，歸根到底是第yi要清楚自己的測(cè)試結(jié)果，第二要得到客戶認(rèn)可。

關(guān)于示波器

有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)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(xiàn)要比數(shù)字示波器好。

開關(guān)電源紋波的抑制

對(duì)于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一D存在的。通常抑制或減少它的做法有五種：

1、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(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。

上圖是開關(guān)電源電感L內(nèi)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(guān)頻率可以減小電感內(nèi)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(duì)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，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，來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

同時(shí)，開關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關(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)電容來提供電流。

應(yīng)用該對(duì)策后，BUCK型開關(guān)電源如下圖所示：

上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制，電感不會(huì)做的很大；輸出電容增加到一D程度，對(duì)減小紋波就沒有明顯的效果了；增加開關(guān)頻率，又會(huì)增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。

關(guān)于開關(guān)電源的原理等，可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。

2、二級(jí)濾波，就是再加yi級(jí)LC 濾波器

LC濾波器對(duì)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，一般能夠很好的減小紋波。

但是，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?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)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(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。

3、開關(guān)電源輸出之后，接LDO 濾波

這是減少紋波和噪聲zui有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本zui，功耗zui的辦法。

任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線，如右圖是凌特公司LT3024的曲線。

經(jīng)過LDO之后，開關(guān)紋波一般在10mV以下。

下圖是LDO前后的紋波對(duì)比：

對(duì)比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對(duì)幾百KHz的開關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi)，該LDO的效果就不那么理想了。

對(duì)減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB工程師，對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一D作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感。

對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一D作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感。

4、在二極管上并電容C或RC

二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)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-100Ω，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)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān)，有很多書專門介紹。

5、二極管后接電感（EMI濾波）

這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。

小結(jié)

以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波，總結(jié)的一些內(nèi)容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對(duì)一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一D全部應(yīng)用，重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等，選擇合適的方法。