開關電源紋波產生原因及如何測量？-KIA MOS管

開關電源紋波產生分析

1、隨著SWITCH 的開關，電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH 同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR 有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同，為幾十到幾百KHz。

2、另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH 上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

3、如果是AC／DC 變換器，除了上述兩種紋波(噪聲)以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。

如上所述，紋波和噪聲是分開的概念：

紋波：電源波動中的低頻成分，一般低于5MHz，產生原因為MOSFET的開關動作。

噪聲：電源波動中的高頻成分，一般高于5MHz，且成分較復雜，一般包括MOSFET的開關噪聲、白噪聲，以及周圍信號的干擾等。

上圖中，粗的正弦波就是紋波，而幅值很高的脈沖就是噪聲。

使用示波器測量

1、去除示波器控頭上的夾子與地線（因為這個本身的夾子與地線會形成環路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環（不使用接地環也可以，不過要考慮其產生的誤差），在探頭上并聯一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進行測試;如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。總之盡可能把減小測量回路。

2、使用AC耦合，去除直流成分。

3、打開20MHz帶寬限制，防止高頻噪聲干擾。

開關電源紋波的抑制

1. 加大電感和輸出電容濾波

根據開關電源的公式，電感內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。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，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。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，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK 型為例，是SWITcH 附近)，并聯電容來提供電流。

上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大；輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了；增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法并不是很好。

2. 二級濾波，就是再加一級LC 濾波器

LC 濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

采樣點選在LC 濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

采樣點選在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內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。

3. 開關電源輸出之后，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，不需要改變原有的反饋系統，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項指標：噪音抑制比。

對減小紋波。開關電源的PCB 布線也非常關鍵。對于高頻噪聲，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。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯電感。

4. 在二極管上并電容C 或RC

二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC 振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯電容C或RC 緩沖網絡。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

在二極管上并聯的電容C 或者RC，其取值要經過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

對高頻噪聲要求嚴格的話，可以采用軟開關技術。

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。針對產生噪聲的頻率，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際的要求。

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