PCB设计必须掌握：开关电源纹波测量和抑制方法

发布时间：2019-09-19                1764

PCB设计必须掌握：开关电源纹波测量和抑制方法

　　开关稳压电源非常关键的一个指标就是纹波，它主要是由开关变换的方式导致的，也因纹波的存在会影响到后续电路的工作，尤其是在对纹波比较敏感的场合下。如何正确测量开关电源纹波？如何有效抑制开关电源的纹波以达到供电电路的要求？这些都是PCB设计工程师需要掌握的重要技能。

　　开关电源纹波的测量

　　要有效降低开关电源输出纹波我们首先得有个比较靠谱的测试方法，不能是由于测试方法的问题而导致的假波形是整改不好的

　　基本要求：使用示波器AC耦合，20MHz带宽限制，拔掉探头的地线

　　1，AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

　　2，打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

　　3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

　　还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。

　　上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。

　　在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。

　　可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。

　　关于示波器：

　　有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。

　　开关电源纹波的抑制

　　对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有五种：

　　一、加大电感和输出电容滤波

　　根据开关电源的公式，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。

　　上图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出：

　　可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。

　　同样，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，开关电源工作时，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。

　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

　　应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：

　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。

　　关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

　　二、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。（如下图所示）

　　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。

　　采样点选在LC滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。

　　三、开关电源输出之后，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。是一条频率-dB曲线，如右图是凌特公司LT3024的曲线。

　　经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。

　　下图是LDO前后的纹波对比：

　　对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。

　　对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。

　　对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。

　　四、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。

　　对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

　　五、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。以上有关开关电源纹波测量和抑制方法知识由西安安泰仪器维修中心网整理发布，更所有关仪器维修知识欢迎访问西安安泰仪器维修网（www.agitekservice.com）