硬件设计分享-④开关电源的纹波与噪声

开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC与线性电源相比，模块最突出的优点是转换效率高，一般可达80%~85%，高的可达90%~97%；其次，开关电源用高频变压器代替笨重的工频变压器，不仅减轻了重量，而且减少了体积，因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是开关管处于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般约为输出电压的1%(低的为0.5%左右)最好的产品有几十个纹波和噪声电压mV；线性电源调节管处于线性状态，无纹波电压，输出噪声电压小，其单位为μV。

本文简要介绍了开关电源产生纹波和噪声的原因及测量方法、测量装置、测量标准及减少纹波和噪声的措施。

1、造成纹波和噪声的原因：

开关电源输出的不是纯直流电压，而是由纹波和噪声引起的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。在每个开关过程中，电能从输入端泵到输出端，形成充放电过程，导致输出电压波动，波动频率与开关频率相同。纹波电压是纹波峰谷之间的峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量和质量有关。

噪声有两个原因，一个是开关电源本身；另一个是外部电磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源本身产生的噪声是由开关导通和截止日期产生的尖脉冲引起的高频脉冲串，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率远高于开关频率，噪声电压值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB与设计有关。

二、降低纹波和噪声电压的措施:

除开关噪声外，开关电源还在AC/DC通过全波整流和电容滤波输入转换器的市电，电流波形为脉冲，如图17所示(图a为全波整流、滤波电路，b是电压和电流波形)。电流波形中有高次谐波，会增加噪声输出。良好的开关电源（AC/DC转换器)在电路中增加功率因数校正（PFC）电路使输出电流接近正弦波，降低高谐波，功率因数提高到0.95左右，减少了对电网的污染。如图1所示

开关电源或模块的输出纹波源或模块的输出纹波及噪声电压及其电源拓扑PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效降低纹波输出。现在开关电源的开关频率越来越高；低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。因此，纹波电压和噪声电压的频率非常高。减少纹波和噪声的最简单方法是在电源电路中添加无源低通滤波器。

1、减少EMI的措施

金属外壳可用作屏蔽，以减少外部电磁场的辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端添加EMI如图3所示，滤波器（EMI滤波器又称电源滤波器)。

2 、输出端高频性能好ESR低的电容

高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解质是最好的输出电容，其特点是尺寸小，容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。最适用于高效、低压、大电流降压DC/DC转换器及DC/DC模块电源作为输出电容。例如，聚合物钽固态电解电容器为68μF，其在20℃、100kHz等效串联电阻（ESR）最大值为25mΩ，最大允许纹波电流(100kHz时）为2400mArms，其尺寸为：7.3mm（长）×4.3mm（宽）×1.8mm(高)型号为10TPE68M(贴片或包装)。纹波电压ΔVOUT为：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

输出电容采用普通铝电解电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工作10kHz在高频(1000左右)左右是不可能的kHz在上述频率下工作，再增加电容也无效，因为超过10kHz它已成为电感特性。

某些开关频率为100kHz到几百kHz多层陶瓷电容器之间的电源（MLCC）或者钽电解电容作为输出电容也有很好的效果，其价格远低于聚合物固态电解质电容。

3 、与产品系统的频率同步

为了降低输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关频率与系统频率相同。

4.避免多模块电源相互干扰

在同一块PCB可能会有多个模块电源一起工作。如果模块电源不屏蔽且非常接近，则可能会相互干扰，增加输出噪声电压。为了避免这种相互干扰，可以采取屏蔽措施或适当远离它，以减少相互影响的干扰。

例如，用两个K7805-500开关模块组成±5V输出电源时，如果两个模块靠得很近，输出电容C4、C2未采用低ESR如图4所示，如果电容器和焊接处远离输出端，则输出的纹波和噪声电压可能会相互干扰。

若在同一块PCB在设计中有一个电路可以产生噪声干扰PCB采取类似措施减少干扰电路对开关电源的相互干扰。

5 、增加LC滤波器

为了减少模块电源的纹波和噪声DC/DC添加模块的输入和输出端LC滤波器，如图5所示。图5左图为单输出，图21右图为双输出。

表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压下的电容值。需要注意的是，电容不能太大，LC谐振频率必须与开关频率错开，以避免相互干扰，L采用μH极性直流电阻应较低，以免影响输出电压精度

6 、增加LDO

在开关电源或模块电源输出后，添加低压差线性稳压器（LDO）为了满足对噪声有特殊要求的电路需求(见图22)，输出噪声可以大大降低输出噪声μV级。

由于LDO压差(输入输出电压差)只有几百个mV，开关电源的输出略高于开关电源LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

7、增加有源EMI有源输出纹波衰减器

有源EMI滤波器可在150kHz～30MHz共模和差模噪声的间衰减，对低频噪声的衰减特别有效。kHz时，可衰减60dB共模噪声及80dB满载时效率可达99%。输出纹波衰减器可达1~500kHz减少电源输出纹波和噪声30dB以上可改善动态响应，减少输出电容