開關(guān)電源LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制設(shè)計(jì)

電源工程師都知道，開關(guān)電源在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生多種紋波噪聲，對(duì)電路性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，所以要針對(duì)各種紋波噪聲采取合理的措施來解決，那么如何做?

開關(guān)電源的紋波和噪聲是一個(gè)本質(zhì)問題，換而言之無論紋波和噪聲多么小，也無法從根本上去除，再絕對(duì)的講開關(guān)電源無論成本怎么提高，也無法完全達(dá)到線性電源的性能和特點(diǎn)。

那么，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。

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。

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;輸出電容增加到一定程度，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，就是再加一級(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。

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。

3、開關(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?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。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。

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)濾波雖然有一定作用，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)。

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)：開關(guān)電源的應(yīng)用和趨勢(shì)事實(shí)上從未停止過，解決開關(guān)電源的場(chǎng)合應(yīng)用問題最根本的最大的方向是受干擾用電設(shè)備與開關(guān)電源設(shè)計(jì)的干擾頻點(diǎn)匹配問題，解決這一關(guān)鍵影響才是開關(guān)電源應(yīng)用的宗旨和目的，任何一個(gè)易受干擾設(shè)備，無論多么的復(fù)雜和精密它都會(huì)有一個(gè)干擾范圍和頻點(diǎn)。

1、低頻紋波噪聲

主要是由于開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的快速變化導(dǎo)致的。在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，電流和電壓的快速變化會(huì)產(chǎn)生低頻紋波噪聲。這種噪聲通常具有較低的頻率，但可能對(duì)電路性能產(chǎn)生較大影響。

抑制方法：

①加大輸出低頻濾波的電感和電容參數(shù)，使其降低到所需的指標(biāo);

②采取前反饋控制方法，降低低頻紋波分量。

2、高頻紋波噪聲

主要是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件參數(shù)不匹配或寄生效應(yīng)導(dǎo)致的。例如，電容器的寄生電感、電阻器的寄生電容等都會(huì)產(chǎn)生高頻紋波噪聲。這種噪聲通常具有較高的頻率，但幅度相對(duì)較小。

抑制方法：

①采用多級(jí)濾波;

②加大輸出高頻濾波器，可抑制輸出高頻紋波;

③提高開關(guān)電源工作頻率，以此提高高頻紋波頻率。

3、共模紋波噪聲

是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件之間存在電位差而產(chǎn)生的。當(dāng)開關(guān)電源工作在高頻時(shí)，電位差會(huì)導(dǎo)致電流在元件之間流動(dòng)，從而產(chǎn)生共模紋波噪聲。這種噪聲對(duì)電路性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，需要采取措施進(jìn)行抑制。

抑制方法：

①采取專門設(shè)計(jì)的EMI濾波器;

②降低開關(guān)刺幅度。

4、超高頻諧振噪聲

是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件之間存在諧振效應(yīng)而產(chǎn)生的。當(dāng)開關(guān)電源工作在高頻時(shí)，元件之間的諧振效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電流和電壓的波動(dòng)，從而產(chǎn)生超高頻諧振噪聲。這種噪聲對(duì)電路性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，需要采取措施進(jìn)行抑制。

抑制方法：

①采用軟恢復(fù)特性二極管;

②使用結(jié)電容小的開關(guān)管;

③減少布線長(zhǎng)度。

5、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲

閉環(huán)調(diào)節(jié)控制是開關(guān)電源中常用的控制方法之一。然而，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制可能會(huì)導(dǎo)致開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件參數(shù)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生紋波噪聲。這種噪聲通常具有較低的頻率，但可能對(duì)電路性能產(chǎn)生較大影響。

抑制方法：

①在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，這是因?yàn)樵撗a(bǔ)償可以抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大問題;

②合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和參數(shù)，最好根據(jù)負(fù)載狀況調(diào)節(jié);

③在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，這樣做的好處是可以使延時(shí)滯后降到最低，以此增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出電壓紋波是有益的。