開關(guān)穩(wěn)壓電源非常關(guān)鍵的一個指標(biāo)就是紋波，它主要是由開關(guān)變換的方式導(dǎo)致的，也因紋波的存在會影響到后續(xù)電路的工作，尤其是在對紋波比較敏感的場合下。如何正確測量開關(guān)電源紋波？如何有效抑制開關(guān)電源的紋波以達(dá)到供電電路的要求？這些都是PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握的重要技能。
開關(guān)電源紋波的測量
要有效降低開關(guān)電源輸出紋波我們首先得有個比較靠譜的測試方法，由于測試方法的問題而導(dǎo)致的假波形是整改不好的
基本要求：使用示波器AC耦合，20MHz帶寬限制，拔掉探頭的地線
1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。
2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測量的時候應(yīng)除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。
還有一點(diǎn)是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω模塊是除去DC成分，精que測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時不清楚。
上面是測量開關(guān)紋波時基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。
在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同。
可能不同的公司有不同的測試方法，歸根到底是第yi要清楚自己的測試結(jié)果，第二要得到客戶認(rèn)可。
關(guān)于示波器
有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應(yīng)更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。
開關(guān)電源紋波的抑制
對于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。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。
上圖是開關(guān)電源電感L內(nèi)的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：
可以看出，增加L值，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/(Co×f)�？梢钥闯�，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(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，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。
同時，開關(guān)電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關(guān)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(lián)電容來提供電流。
應(yīng)用該對策后，BUCK型開關(guān)電源如下圖所示：
上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w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(guān)頻率，又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時，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。
2、二級濾波，就是再加yi級LC 濾波器
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，一般能夠很好的減小紋波。
但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。（如下圖所示）
采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋�直流電阻，當(dāng)有電流輸出時，在電感上會有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)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(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)部引入了一個電感和一個電容，有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。
3、開關(guān)電源輸出之后，接LDO 濾波
這是減少紋波和噪聲zui有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本zui，功耗zui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，如右圖是凌特公司LT3024的曲線。
經(jīng)過LDO之后，開關(guān)紋波一般在10mV以下。
下圖是LDO前后的紋波對比：
對比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對幾百KHz的開關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi)，該LDO的效果就不那么理想了。
對減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB工程師，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(lián)電感。
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(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，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)，反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān)，有很多書專門介紹。
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(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)
以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波，總結(jié)的一些內(nèi)容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用，重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等，選擇合適的方法。 |
