開關電源輸出紋波的測量和抑制

    最近在搞一個開關電源，輸出紋波是比較頭疼的一個方面，所以趁此機會稍微總結一下。找了些資料，整理下，包括紋波的產生，測量和抑制。

開關電源紋波的產生
    我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達到這個目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產生，首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。
 
   上圖是開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。
    隨著SWITCH的開關，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR有關係。這個紋波的頻率與開關電源相同，為幾十到幾百KHz。
    另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的雜訊，一般為幾十MHz。同樣二極體D在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的雜訊頻率也為幾十MHz。這兩種雜訊一般叫做高頻雜訊，幅值通常要比紋波大得多。
 
    如果是AC／DC變換器，除了上述兩種紋波(雜訊)以外，還有AC雜訊，頻率是輸入AC電源的頻率，為50～60Hz左右。還有一種共模雜訊，是由於很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。
    因為本人是做汽車電子研發的，對於后兩種雜訊接觸較少，所以暫不考慮。

開關電源紋波的測量
基本要求：

1. 使用示波器AC耦合
2. 20MHz帶寬限制
3. 拔掉探頭的地線

1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。
2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻雜訊的干擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環，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，精確測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時不清楚。
    上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。
    在測量高頻雜訊時，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。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可，

關於示波器：
    有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現要比數字示波器好。
    泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波(雜訊)的軟體，可以看一下參考資料5。同樣，關於示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。

開關電源紋波的抑制
對於開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：
1，加大電感和輸出電容濾波
    根據開關電源的公式，電感內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。
 
    左圖是開關電源電感L內的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：
 
    可以看出，增加L值，或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。
    同樣，輸出紋波與輸出電容的關係：vripple=Imax/(Co×f)。  可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。
    通常的做法，對於輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻雜訊方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊並聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。
    同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關變化的。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)，並聯電容來提供電流。
    應用該對策后，BUCK型開關電源如下圖所示：
 
    上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，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；增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法並不是很好。
  關於開關電源的原理等，可以參考各類開關電源設計手冊。

2，二級濾波，就是再加一級LC濾波器
    LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，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採樣點。(如下圖所示)
 
    採樣點選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導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。
    採樣點選在LC濾波器之後(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內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。關於系統穩定，很多資料有介紹，這裡不詳細寫了。

3，開關電源輸出之後，接LDO濾波
    這是減少紋波和雜訊最有效的辦法，輸出電壓恆定，不需要改變原有的反饋系統，但也是成本最高，功耗最高的辦法。
    任何一款LDO都有一項指標：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。
 
    經過LDO之後，開關紋波一般在10mV以下。
    下圖是LDO前後的紋波對比：
 
    對比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對幾百KHz的開關紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻範圍內，該LDO的效果就不那麼理想了。
    對減小紋波。開關電源的PCB布線也非常關鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師，簡單的可以參考美國國半公司的AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines，  (網上有翻譯的中文摘要)
    對於高頻雜訊，由於頻率高幅值較大，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體上並電容C或RC，或串聯電感。

4，在二極體上並電容C或RC
 
    左圖是實際用二極體的等效電路。二極體高速導通截止時，要考慮寄生參數。在二極體反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極體兩端並聯電容C或RC緩衝網路。電阻一般取10Ω-100 Ω，電容取4.7pF-2.2nF。
    詳細的解釋可參考資料1和2。
    在二極體上並聯的電容C或者RC，其取值要經過反覆試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。
    對高頻雜訊要求嚴格的話，可以採用軟開關技術。關於軟開關，有很多書專門介紹。

5，二極體後接電感（EMI濾波）
    這也是常用的抑制高頻雜訊的方法。針對產生雜訊的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制雜訊。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。比較簡單的做法，不再詳細解釋。

小結
    以上是關於開關電源紋波，總結的一些內容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對一般的應用已經足夠了。關於雜訊抑制，實際中並不一定全部應用，重要的是根據自己的設計要求，比如產品體積，成本，開發周期等，選擇合適的方法。
    暫時先寫這些，有時間的話再詳細總結。

參考資料：
1 開關電源的尖峰干擾及其抑制 石家莊國耀電子科技有限公司 楊志民 杜文廣 董銀虎(石家莊050031)
2 抑制功率二極體反向恢復幾種方案的比較 電源技術應用 作者：浙江大學電氣工程學院 胡進 呂征宇
3 Google搜索：開關電源輸出紋波來源
5 電源系統分析與測試泰克科技(中國)有限公司 宋磊
6 水木社區電路設計與調試版http://www.newsmth.net/bbsdoc.php?board=Circuit