在當(dāng)今的電子設(shè)備中，開關(guān)電源（SMPS）由于其體積小、效率高等優(yōu)點，在通信設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，輸出電壓紋波和噪聲的問題一直是開關(guān)電源設(shè)計中需要重點關(guān)注的方面。本文將深入探討 SMPS 的拓?fù)?、寄生電流?PCB 走線對紋波和噪聲的影響，并介紹有效的抑制方法。

紋波電壓的產(chǎn)生與特性

從本質(zhì)上來說，狹義的紋波電壓是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。在實際的電源設(shè)計中，直流電壓通常是通過交流電壓經(jīng)過整流、濾波后得到的。由于濾波電路無法做到完全濾波，輸出電壓中仍會存在一定的脈動交流成分，這就是紋波電壓。通常，穩(wěn)壓電源由整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分構(gòu)成。整流電路將交流電轉(zhuǎn)換為脈動的直流電，但其中包含大量交流成分；濾波電路雖然能濾去大部分交流成分，但仍無法徹底消除；穩(wěn)壓電路可使紋波電壓大大降低，但依然不能完全濾除，降低的倍數(shù)反比于穩(wěn)壓系數(shù) S。

紋波和噪聲的區(qū)分

SMPS 的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波是開關(guān)電源充放電時輸出電壓的波動，其波形描述了輸入輸出電容器充放電的結(jié)果，在負(fù)載時波動極大。噪聲則是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱為 RMS 噪聲。高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在 SMPS 的開通和關(guān)斷時刻，可由示波器準(zhǔn)確測試到。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，其幅值大小由 SMPS 的拓?fù)洹⒓纳娏骱?PCB 走線決定，且極易受探頭和實驗結(jié)構(gòu)影響。

紋波和噪聲的抑制方法

1. 基頻開關(guān)輸入紋波的抑制：以 Buck 變換器為例，輸出電感在開關(guān)周期開通期間連接到輸入，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，電源和輸出電感電流在整個開關(guān)周期基本恒定（忽略電感紋波電流）。直流輸入電壓穩(wěn)定時，輸入電容器在開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷期間的充放電量相等。紋波大小隨輸入電壓波動，在占空比為 50% 時。為減少輸入紋波，可增加電容量或減少輸入電容 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。例如，一個 0805 封裝 10 μF 10V X5R 電容器在直流 3.6 V 應(yīng)用中，實際容量約為 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。
2. 開關(guān)電源輸出后增加穩(wěn)壓器：在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），能大幅度降低輸出噪聲，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 的壓差僅幾百 mV，在開關(guān)電源的輸出略高于 LDO 幾百 mV 即可輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓，且損耗不大。同時，在同一塊 PCB 上多個模塊電源一起工作時，為避免相互干擾使輸出噪聲電壓增加，可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離。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，兩只小容量電容并聯(lián)效果優(yōu)于一只大容量電容，多個電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

電源設(shè)計的權(quán)衡與優(yōu)質(zhì)方案選擇

在電源設(shè)計中，降低紋波的各種方法都利弊共存，需要權(quán)衡需要改善的點來選擇合適的方案。當(dāng)然，也可以選擇現(xiàn)成的穩(wěn)定成品電源，其濾波電路、隔離部分等都已高度集成于一體。例如，致遠(yuǎn)電子基于近二十年的電源設(shè)計經(jīng)驗積累，自主研發(fā)設(shè)計自主電源 IC，打造全工況優(yōu)選型 DC - DC 電源，能滿足所有工況需求，為用戶提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的供電解決方案。其 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，紋波噪聲低至 40mV，為用戶打造高可靠性供電環(huán)境。還實現(xiàn)了低至 5mA 的靜態(tài)電流，待機功耗僅為 25mW，可有效降低待機時的能量損失。