開關(guān)電源紋波和噪聲的抑制

1 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)。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，見式(1)。

另外，計(jì)算輸入電容量時(shí)需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

摘 要：分析了開關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分及哪些成分需要抑制。通過鐵氧體磁珠抑制基頻紋波和高頻噪聲的等效電路，得出結(jié)論為當(dāng)降壓型變換器與其他電路擁有共同的輸入電壓時(shí)，降壓型變換器的輸入噪聲完全可以干擾其他裝置；簡單濾波方式可以用來降低輸入噪聲，改善電路的特性。最后給出了計(jì)算公式及結(jié)果。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；紋波和噪聲抑制；鐵氧體磁珠

1 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)。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，見式(1)。

另外，計(jì)算輸入電容量時(shí)需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

2.2 高頻噪聲

在便攜式應(yīng)用中，直流變換器的高頻輸入噪聲通?？蛇_(dá)100 MHz 以上。“噪聲”其實(shí)是一個(gè)甚高頻振鈴或變換器電源部分的寄生振蕩。在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，能量儲存在感性和容性的寄生振蕩中直到消失。在每個(gè)周期內(nèi)，噪聲都會出現(xiàn)在開關(guān)波形的邊緣，盡管噪聲頻率非常高，但僅用一個(gè)典型的旁路電容器是不能使其衰減的。陶瓷電容器的阻抗頻率特性曲線，如圖3 所示。當(dāng)在100 MHz 或以上時(shí)，不論電容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。因此，在Buck 電路的輸入電容上并聯(lián)一個(gè)較小值的陶瓷電容器并不能有效地減少這種高頻噪聲。

由于陶瓷電容器在出現(xiàn)噪聲的頻段內(nèi)呈感性，因此需要一些用于衰減的元件。在大多數(shù)情況下，這些元件僅會在PCB 印制板的走線上產(chǎn)生阻抗。在62 mil FR4 電路板上50 mil 寬2 盎司銅走線的阻抗典型值每英寸約為11 nH. 容量為1 μf、封裝為0603的陶瓷電容器的典型感抗約為0.5 nH. 在100 MHz高頻輸入噪聲時(shí)，這相當(dāng)于21 dB 或減少1/12x. 在實(shí)際應(yīng)用中總是期望能得到更多的衰減，但噪聲頻
率決定了L/R 網(wǎng)絡(luò)的衰減量。加鐵氧體雖可增加高頻阻抗，但可使直流損耗降到最小。通過實(shí)驗(yàn)，測試給出旁路電容對紋波的抑制(如圖4)、旁路電容和走線感抗對高頻噪聲的抑制(如圖5)、鐵氧體磁珠對紋波的抑制(如圖8)。

2.3 鐵氧體對紋波和噪聲減少

如果電路板走線的阻抗不足以作為阻性元件構(gòu)成低通濾波器，可用一個(gè)小鐵氧體磁珠(貼片封裝)增加阻抗，改善對噪聲的抑制。使用鐵氧體磁珠可以把輸入紋波衰減近似為鋸齒波，并可把它降低為基頻成分。利用鐵氧體磁珠的直流阻抗(Rb)和濾波電容(Cf)可以確定轉(zhuǎn)折頻率和在相應(yīng)開關(guān)頻率下的紋波衰減。鐵氧體磁珠抑制紋波的典型電路(如圖6)及相應(yīng)的計(jì)算方法如下：

高頻噪聲的衰減要求測試在輸入高頻噪聲的共振頻率下鐵氧體磁珠的阻抗。通常高頻噪聲出現(xiàn)在約400 MHz 時(shí)，而圖7 中在400 MHz 下鐵氧體磁珠的阻抗約140 Ω. 從圖3 可知，濾波電容器在400 MHz 時(shí)相應(yīng)的阻抗約為1 Ω 并且呈感性。

這樣，利用該網(wǎng)絡(luò)就可以大概計(jì)算出在400 MHz 時(shí)的衰減，等效模擬電路如圖6 所示。

圖9 為一個(gè)貼片封裝的鐵氧體磁珠的典型阻抗頻率特性。鐵氧體磁珠有一個(gè)很小的直流阻抗，使它通過直流電流對系統(tǒng)的效率有很小的影響。它還在變換器出現(xiàn)高頻噪聲的頻帶內(nèi)擁有很大的阻抗。從曲線中可以看出，頻率在200 MHz 以上時(shí)阻抗大于100 Ω. 在應(yīng)用了鐵氧體磁珠的例子中，有500mA 的額定電流和0.3 Ω 的直流阻抗，這就使附加器件的損耗可以降到最低。

3 結(jié) 論

當(dāng)降壓型變換器與其他電路擁有共同的輸入電壓時(shí)，降壓型變換器的輸入噪聲完全可以干擾其它裝置。簡單濾波方式可以用來降低輸入噪聲，改善電路的特性。在大多數(shù)情況下，共同輸入電壓的電路用陶瓷電容器就可以了，而在變換器輸入與其他電路輸入源之間連接鐵氧體磁珠可以進(jìn)一步衰減輸入噪聲。