开关电源波纹的产生、测量及抑制，一篇全搞定！

开关电源纹波的产生

我们的最终目标是将输出纹波降低到可以容忍的程度。实现这一目标最基本的解决方案是尽量避免纹波。首先，我们应该了解开关电源纹波的类型和原因。

上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压电源。

随着SWITCH电感L中的电流也在输出电流的有效值上下波动。因此，输出端也会出现一个和SWITCH一般来说，相同频率的纹波它与输出电容的容量和ESR有关系。纹波的频率与开关电源相同，从几十到几百不等KHz。

另外，SWITCH一般选择双极性晶体管或双极性晶体管MOSFET，无论如何，在它的引导和截止日期，都会有上升和下降的时间。此时，电路中会出现一个和SWITCH上升和下降时间的频率相同或奇数倍频的噪声通常是几十倍MHz。同样，在反向恢复时，二极管D的等效电路是电阻电容和电感串联，会引起谐振和噪声

频率也是几十MHz。这两种噪声通常被称为高频噪声，振幅值通常比纹波大得多。

如果是AC／DC除上述两种纹波(噪声)外，还有变换器AC噪声，频率是输入AC电源频率为50~60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于许多开关电源的功率装置使用外壳作为散热器产生的等效电容引起的。

测量开关电源纹波

基本要求：

使用示波器AC耦合

20MHz带宽限制

拔下探头的地线

1、AC耦合是去除叠加的直流电压，获得准确的波形。

2、打开20MHz带宽限制是为了防止高频噪声的干扰和测量错误的结果。由于高频成分振幅较大，应在测量过程中删除。

3.拔下示波器探头的接地夹，用接地环测量，以减少干扰。许多部门没有接地环。如果误差允许，也可以直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时，应考虑这一因素。

另一点是使用50终端。根据横河示波器的数据，除去50模块DC成分，精确测量AC成分。但是很少有带有这种特殊探头的示波器，大多数情况下使用标准100K?到10M?目前尚不清楚探头测量的影响。

上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50?同轴电缆方式测量。

测量高频噪声时，示波器的全通带一般是几百兆到GHz等级。其他与上述相同。不同的公司可能有不同的测试方法。归根结底，首先要知道你的测试结果。二是要得到客户的认可，

关于示波器：

由于干扰和存储深度，一些数字示波器无法正确测量纹波。此时，应更换示波器。有时，虽然旧模拟示波器的带宽只有几十兆，但它比数字示波器更好。

抑制开关电源纹波

理论上和实际上，开关纹波纹波。通常有三种方法可以抑制或减少它：

1.增加电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式，电感内的电流波动与电感值成反比，输出纹波与输出电容值成反比。因此，增加电感值和输出电容值可以减少纹波。

上图为开关电源电感L中的电流波形，其纹波电流△I可以下式计算：

可以看出，增加L值或增加开关频率可以减少电感中的电流波动。

同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/（Co×f）。可见，增加输出电容值可以减少纹波。

通常，对于输出电容器，使用铝电解电容器来达到大容量的目的。但电解电容器对抑制高频噪声的效果不是很好，ESR它也比较大，所以它旁边会并联一个陶瓷电容器来弥补铝电解电容器的不足。

同时，当开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但电流随开关而变化。此时，输入电源不会很好地提供电流，通常在电流输入端附近（BucK型为例，是SWITcH附近)并联电容提供电流。

应用对策后，BUCK型开关电源如下图所示：

上述方法对减少纹波的作用有限。由于体积有限，电感不会很大；输出电容增加到一定程度，对减少纹波没有明显影响；增加开关频率，增加开关损失。所以当要求更严格时，这种方法并不是很好。

关于开关电源的原理，请参考各种开关电源设计手册。

二、二级滤波是加一级LC滤波器

LC滤波器对噪声波有明显的抑制作用。根据要去除的纹波频率，选择合适的电感电容器形成滤波电路，一般可以减少纹波。

但在这种情况下，需要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)

采样点选在LC滤波器之前（Pa），输出电压会降低。因为任何电感都有直流电阻，当有电流输出时，电感上会有压降，导致电源输出电压降低。压降随输出电流而变化。

采样点选在LC滤波器之后（Pb），这样，输出电压就是我们想要的电压。然而，在电源系统中引入电感和电容器可能会导致系统不稳定。很多关于系统稳定性的信息都有介绍，这里就不详细了。

3.输出开关电源后，连接LDO滤波

这是减少纹波和噪声最有效的方法，输出电压恒定，不需要改变原来的反馈系统，但也是成本最高、功耗最高的方法。

任何一款LDO有一个指标：噪声抑制比。-dB曲线如右图为凌特公司LT3024的曲线。

经过LDO之后开关纹波一般为10mV以下。

下图是LDO前后纹波对比：

对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看到数百个KHz开关纹波，LDO抑制效果很好。但在高频范围内，应该是LDO效果不太理想。

减少纹波。开关电源PCB布线也很关键，这是一个很好的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，简单参考美国半公司AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines，(网上有翻译中文摘要)

对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。

4.电容C或电容C在二极管上RC

上图是实际使用二极管的等效电路。当二极管高速导通截止时，应考虑寄生参数。在二极管反向恢复过程中，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，有必要在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

并联在二极管上的电容C或RC，其值只能通过反复试验来确定。若选择不当，反而会引起更严重的振荡。

对高频噪声要求严格的，可采用软开关技术。关于软开关，有很多书特别介绍。

五、二极管后接电感（EMI滤波）

这也是抑制高频噪声的常用方法。根据噪声频率，选择合适的电感元件也能有效抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流应满足实际要求。不再详细解释简单的方法。

小结

以上是关于开关电源纹波，总结了一些内容，如果你能添加一些波形就更好了。虽然它可能不是很完整，但对于一般的应用程序来说已经足够了。关于噪声抑制，实际上并不是所有的应用，重要的是根据自己的设计要求，如产品体积、成本、开发周期等，选择合适的方法。