減少開關電源的紋波和噪聲電壓的措施

開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較，突出的優點是轉換效率高，一般可達80%～85%，高的可達90%～97%；其次，開關電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應用范圍越來越廣。但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀態，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），好產品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線性電源的調整管工作于線性狀態，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

本文簡單地介紹開關電源產生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。

一、紋波和噪聲產生的原因：

開關電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。

噪聲的產生原因有兩種，一種是開關電源自身產生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態及PCB的設計有關。

二、減小紋波和噪聲電壓的措施：

開關電源除開關噪聲外，在AC/DC轉換器中輸入的市電經全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖17所示（圖a是全波整流、濾波電路，b是電壓及電流波形）。電流波形中有高次諧波，它會增加噪聲輸出。良好的開關電源（AC/DC轉換器）在電路增加了功率因數校正（PFC）電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數提高到0.95左右，減小了對電網的污染。電路圖如圖1所示。

開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲，各部分電路的設計及PCB設計有關。例如，采用多相輸出結構，可有效地降低紋波輸出?，F在的開關電源的開關頻率越來越高；低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達1MHz以上。因此產生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。

1、減少EMI的措施

可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖3所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。

2 、在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容

采用高分子聚合物固態電解質的鋁或鉭電解電容作輸出電容是佳的，其特點是尺寸小而電容量大，高頻下ESR阻抗低，允許紋波電流大。它適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如，一種高分子聚合物鉭固態電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時的等效串聯電阻（ESR）大值為25mΩ，大的允許紋波電流（在100kHz時）為2400mArms，其尺寸為：7.3mm（長）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號為10TPE68M（貼片或封裝）。紋波電壓ΔVOUT為：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的鋁電解電容作輸出電容，額定電壓10V、額定電容量100μF，在20℃、120Hz時的等效串聯電阻為5.0Ω，大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量也無效，因為超過10kHz時，它已成電感特性了。

某些開關頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容（MLCC）或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯，其價位要比高分子聚合物固態電解質電容要低得多。

3 、采用與產品系統的頻率同步

為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統的頻率，使開關的頻率與系統的頻率相同。4、避免多個模塊電源之間相互干擾

在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或將其適當遠離，減少其相互影響的干擾。

例如，用兩個K7805-500開關型模塊組成±5V輸出電源時，若兩個模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離輸出端較遠，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加，如圖4所示。

如果在同一塊PCB上有能產生噪聲干擾的電路，則在設計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關電源的相互干擾影響。

5 、增加LC濾波器

為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖5所示。圖5左圖是單輸出，圖21右圖是雙輸出。

在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動問題，LC的諧振頻率必須與開關頻率要錯開以避免相互干擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

有些小電流，負載相對比較恒定的場景，我們增加“RC濾波”。

LC濾波要注意，避免諧振。

6 、增加LDO

在開關電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要（見圖），輸出噪聲可達μV級。

由于LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV，則在開關電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標準電壓了，并且其損耗也不大。

7、增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器

有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，并且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時效率可達99%。輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動態響應及減小輸出電容。