SMPS 的拓?fù)?、寄生電流和PCB 的走線

狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。直流電壓本來應(yīng)該是一個(gè)固定的值， 但是很多時(shí)候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不徹底，就會有剩余的交流成分，即使采用電池供電也會因負(fù)載的波動而產(chǎn)生波紋。事實(shí)上，即便是最好的基準(zhǔn)電壓源器件，其輸出電壓也是有波紋的。穩(wěn)壓電源一般包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分。 [1]整流電路將交流電變?yōu)槊}動的直流電，但其中仍含有大量的交流成分，為了獲得平滑的直流電壓，在整流電路后加濾波電路可以濾去大部分交流成分。

紋波電壓但由于濾波電路濾波不完整， 使輸出電壓中仍含有一定的脈動交流成分，這種脈動交流成分稱為紋波電壓。經(jīng)整流濾波后的輸出電壓經(jīng)過穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓作用， 使紋波電壓大大降低，但仍不能完全濾除，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù)S。

開關(guān)電源以其體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)在通信設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用。但對于輸出電壓紋波要求較小的場合，傳統(tǒng)開關(guān)電源設(shè)計(jì)的輸出電壓紋波較大，已不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而通過采用本文的有源濾波器及其前端加入LC低通濾波器網(wǎng)絡(luò)的方法，則能夠?qū)y波進(jìn)行有效抑制，從而達(dá)到設(shè)計(jì)所需要的指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有一定的理論與實(shí)際意義。

紋波和噪聲

紋波和噪聲電壓通常出現(xiàn)在交流電壓信號加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開關(guān)電源充放電時(shí)輸出電壓的波動;噪聲就是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結(jié)果，在最大負(fù)載時(shí)是極大的。高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在SMPS 的開通和關(guān)斷時(shí)刻，如圖1，可由示波器準(zhǔn)確地測試到。盡管噪聲的重復(fù)頻率由SMPS 的開關(guān)頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開關(guān)頻率;幅值的大小由SMPS 的拓?fù)?、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現(xiàn)在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)影響。

2 紋波和噪聲的抑制

開關(guān)電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時(shí)足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉硪种七@些紋波和噪聲，減少對整個(gè)電路的影響。要想有效地抑制開關(guān)電源的紋波和噪聲，首先就應(yīng)該知道開關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開關(guān)輸入紋波

對于一個(gè)Buck 變換器，輸出電感在開關(guān)周期開通期間連接到輸入，而在關(guān)斷期間與輸入斷開。當(dāng)輸入電容器電流沒有直流成分時(shí)，電源和輸出電感電流在整個(gè)開關(guān)周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，輸入電容器在開關(guān)導(dǎo)通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開關(guān)關(guān)斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動，在占空比為50%時(shí)最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯(lián)電阻(ESR)。紋波和噪聲電壓通常出現(xiàn)在交流電壓信號加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開關(guān)電源充放電時(shí)輸出電壓的波動;噪聲就是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結(jié)果，在最大負(fù)載時(shí)是極大的。高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在SMPS 的開通和關(guān)斷時(shí)刻，如圖1，可由示波器準(zhǔn)確地測試到。盡管噪聲的重復(fù)頻率由SMPS 的開關(guān)頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開關(guān)頻率;幅值的大小由SMPS 的拓?fù)?、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現(xiàn)在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)影響。

開關(guān)電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時(shí)足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉硪种七@些紋波和噪聲，減少對整個(gè)電路的影響。要想有效地抑制開關(guān)電源的紋波和噪聲，首先就應(yīng)該知道開關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開關(guān)輸入紋波

對于一個(gè)Buck 變換器，輸出電感在開關(guān)周期開通期間連接到輸入，而在關(guān)斷期間與輸入斷開。當(dāng)輸入電容器電流沒有直流成分時(shí)，電源和輸出電感電流在整個(gè)開關(guān)周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，輸入電容器在開關(guān)導(dǎo)通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開關(guān)關(guān)斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動，在占空比為50%時(shí)最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯(lián)電阻(ESR)。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對輸入電壓紋波影響不大。一個(gè)0805封裝10 μF 10V X5R 電容器在直流3.6 V 應(yīng)用中，實(shí)際容量約為4.2 μF. 對于1.8 V 400 mA 的輸出負(fù)載，輸入波紋電壓的峰值為17.4 mV。

開關(guān)電源輸出之后，增加穩(wěn)壓器

在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要，輸出噪聲可達(dá)μV級。由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百在同一塊PCB上可能有多個(gè)模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠得很近，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。如輸出電容一般可采用兩只，一只靠近整流管，另一只靠近輸出端子的方式，兩只小容量電容并聯(lián)效果優(yōu)于一只大容量電容的方式，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。mV，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

在電源設(shè)計(jì)中，可采用上述方式來降低紋波，但是多多少少都是利弊共存，需要權(quán)衡最需要改善的點(diǎn)來選擇合適的方案，當(dāng)然也可以選擇現(xiàn)成的穩(wěn)定成品電源，其中的濾波電路、隔離部分等都已經(jīng)高度集成于一體。

致遠(yuǎn)電子基于近二十年的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，自主研發(fā)設(shè)計(jì)自主電源IC，打造全工況優(yōu)選型DC-DC電源，滿足所有工況需求，為用戶提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的供電解決方案。P系列隔離基于自主研發(fā)的開關(guān)電源芯片ZLG1002，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，紋波噪聲低至40mV，為用戶打造高可靠性供電環(huán)境。還實(shí)現(xiàn)了低至5mA的靜態(tài)電流，待機(jī)功耗僅為25mW，待機(jī)如休眠般靜謐，可有效降低待機(jī)時(shí)能量損失。