開關(guān)電源開發(fā)過程中，如何根據(jù)實(shí)際的電路參數(shù)及性能進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整

1、紋波的定義

紋波是指在直流電壓或電流上，有規(guī)律的疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量?，F(xiàn)實(shí)中的電壓和電流并不是完全穩(wěn)定的一條直線，而是疊加有很多的波動，并且這些波動的頻率是固定的，把這些波動叫做紋波。

2、噪聲的定義

噪聲是指疊加在紋波之上，非連續(xù)存在并無規(guī)律的電壓或者電流尖峰。也就是說噪聲指的是疊加在紋波上的雜波。下面的圖1很好的描述了什么是紋波噪聲。

3、紋波噪聲的危害

當(dāng)電源的紋波噪聲過大時，它們可能會影響運(yùn)放的精度，干擾AD或者DA模塊的工作，使得整機(jī)的精度大幅度下降。

4、如何降低紋波噪聲

(1)降低開關(guān)器件動作帶來的紋波噪聲：設(shè)計(jì)人員在實(shí)際的開發(fā)過程中，需要根據(jù)實(shí)際的電路參數(shù)及性能要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，進(jìn)行綜合考慮。

(2)降低輸入前端的低頻紋波：增加濾波措施，各種類型的電容及電感濾波電路：LC、Π型等，或者在一些條件允許的系統(tǒng)中，也可以在前端及后端增加穩(wěn)壓器件，來降低紋波噪聲，在這種情況下該部分的紋波噪聲則完全由穩(wěn)壓器件的性能決定。

(3)降低線路寄生及耦合導(dǎo)致的紋波噪聲：從設(shè)計(jì)上改善寄生參數(shù)(如優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)及PCB走線等等)，還可以施加共模濾波方案。

一、引言

開關(guān)電源因其高效率、小體積、輕重量等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)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(jì)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(bǔ)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(diǎn)，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(xiàng)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(shí)現(xiàn)有效的紋波抑制。

減少EMI干擾：可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器(EMI濾波器也稱為電源濾波器)。它只能工作于10kHz左右，無法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作，再增加電容量也無效，因?yàn)槌^10kHz時，它已成電感特性了。

避免多個模塊電源之間相互干擾：在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。如果在同一塊PCB上有能產(chǎn)生噪聲干擾的電路，則在設(shè)計(jì)PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關(guān)電源的相互干擾影響。

采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步：為減小輸出噪聲，電源的開關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。

優(yōu)化PCB布局布線：PCB布局布線不合理也會導(dǎo)致電源適配器的紋波過大。因此，優(yōu)化PCB布局布線也是降低紋波的一種方法。例如，合理安排元件的布局和走線，避免信號線的平行和交叉，減小信號線的長度和寬度等。

選用高質(zhì)量的元件和材料：選用高質(zhì)量的元件和材料也可以降低電源適配器的紋波。例如，選用低噪聲、高穩(wěn)定性的元件和材料，加強(qiáng)元件的篩選和檢測等。

綜上所述，降低電源適配器的紋波需要從多個方面入手，包括電路設(shè)計(jì)、元件和材料的選擇、PCB布局布線等方面。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體情況選擇合適的方法來降低電源適配器的紋波，以保證設(shè)備的正常工作和穩(wěn)定性。同時，對于已經(jīng)出現(xiàn)紋波問題的電源適配器，需要及時進(jìn)行維修和更換，以避免對設(shè)備造成不必要的損害和安全隱患。