在電子電氣設(shè)備中，開關(guān)電源早已被被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，如通信、計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制等。然而，開關(guān)電源的輸出往往會(huì)伴隨著一定的紋波電壓和紋波電流，這可能會(huì)對(duì)電子設(shè)備的穩(wěn)定性和性能產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，降低開關(guān)電源紋波成為了提高電源質(zhì)量的重要課題。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，有幾個(gè)關(guān)鍵要素需要被重視和優(yōu)化。本文將介紹降低開關(guān)電源紋波的幾大要素，幫助讀者更好地理解和應(yīng)用這些要素。

01

增大電感和輸出電容器的濾波

根據(jù)開關(guān)電源方式，電感的電流變動(dòng)幅度和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。當(dāng)增大電感值和輸出電容值時(shí)，可以減小紋波。類似地，輸出紋波和輸出容量之間的關(guān)系:?

vripple=Imax/(Co×f )

可以看出，當(dāng)增大輸出電容值時(shí)，可以減小紋波。在通常的做法中，輸出電容器使用鋁電解電容器，達(dá)到了大容量的目的。但是，由于電解電容器沒有抑制高頻噪聲的效果，ESR也很大，因此在其旁邊并聯(lián)連接陶瓷電容器來彌補(bǔ)鋁電解電容器的不足。

濾波電容的ESR和ESL是非常重要的參數(shù)，越低越好，僅追求容量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，當(dāng)然在滿足足夠低的ESR和ESL的前提下，容量大些較好。開關(guān)電源的濾波電容優(yōu)選X7R或X5R電容與鉭電解的組合，紋波稍放寬可用Y5V電容和瘦高外觀的鋁電解（低ESL型）配合。

其它，在開關(guān)電源動(dòng)作的期間，輸入端的電壓Vin不變化，但是電流通過開關(guān)而變化。此時(shí)，輸入電源無法供給電流，但通常在電流輸入端子( BucK型例中為SWITcH附近)附近連接并聯(lián)電容器來供給電流。這種做法只限于減少紋波。由于體積限制，電感器的輸出容量不會(huì)在某種程度上變大，在減小紋波時(shí)若增大無效的開關(guān)頻率，則開關(guān)損耗變大。因此，在要求嚴(yán)格的情況下，這種方法不太好。

至于儲(chǔ)能電感，在工作頻率下的Q值越大越好，很多人只注意到電感量，其實(shí)Q值的影響要大得多，電感量只要滿足要求允許在很大范圍內(nèi)波動(dòng)。

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02

2次濾波器（追加LC濾波器）

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已知LC濾波器對(duì)噪聲紋波的抑制作用，但是要根據(jù)除去的頻率選擇適當(dāng)?shù)碾姼须娙葜祦砼渲脼V波器電路，這樣才能有效的降低紋波。將采樣點(diǎn)選擇為L(zhǎng)C濾波前( Pa )時(shí)，輸出電壓會(huì)下降。任何電感都有直流電阻，因此有電流輸出時(shí)，電感會(huì)產(chǎn)生電壓下降，電源的輸出電壓下降。而且，該電壓降隨輸出電流而變化。在采樣點(diǎn)選擇LC濾波器后( Pb )，輸出電壓變?yōu)槲覀円蟮碾妷?。但是，像這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部導(dǎo)入電感器和電容器的話，系統(tǒng)有可能變得不穩(wěn)定。

03

在二極管上并聯(lián)連接電容器C或RC線

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二極管高速通斷時(shí)，考慮寄生參數(shù)。在二極管的反向恢復(fù)期間中，等效電感和等效電容成為RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這樣的高頻振蕩，需要在二極管的兩端并聯(lián)連接電容器C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般為10Ω-100 Ω，電容器為4.7pF-2.2nF。

當(dāng)然以上是經(jīng)驗(yàn)值，實(shí)際設(shè)計(jì)必須通過重復(fù)測(cè)試來確定和二極管并聯(lián)連接的電容器C或RC的值。做出不恰當(dāng)?shù)倪x擇反而會(huì)引起很大的振動(dòng)。

04

二極管后置電感( EMI濾波器)

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這也是抑制高頻噪聲的常用方法。通過為不產(chǎn)生噪聲的頻率選擇適當(dāng)?shù)碾姼性梢灶愃频赜行У匾种圃肼?。?qǐng)注意，電感的額定電流符合實(shí)際要求。?

05

PCB良好的設(shè)計(jì)布局

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開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)非常重要，在前兩個(gè)條件都滿足時(shí)如果紋波參數(shù)還是達(dá)不到手冊(cè)中載明的數(shù)值，問題就可以肯定是出在PCB上，開關(guān)電源芯片的取樣及濾波回 路的設(shè)計(jì)非常講究，PCB分布參數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)整誤差或?yàn)V波效率變差，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致自激（一般在特定的負(fù)載強(qiáng)度下發(fā)生），故不得不查。原則是取樣回路和 濾波回路要盡量貼近開關(guān)電源IC，PCB走線不可太長(zhǎng)、太細(xì)，類似的儲(chǔ)能電感也有同樣原則，只是影響稍小，布局、走線不利相當(dāng)于降低了電感的Q值。?

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舉個(gè)例子

不良的PCB布局如下圖所示，變壓器輸出的GND，直接通過過孔連到背部的地平面，地平面連接電源的輸出引腳。此布局在輸出5V/2A的負(fù)載下，實(shí)測(cè)電源尖峰達(dá)1.5V VP-P。變壓器上的噪聲沒有經(jīng)過輸出的濾波電容直接通過了輸出引腳，導(dǎo)致紋波噪聲很大。

如下圖所示是比較好的PCB布局，調(diào)整了變壓器的位置，將變壓器輸出地通過兩個(gè)電容后，再回到地平面和輸出引腳相連。實(shí)測(cè)在相同5V/2A輸出的負(fù)載下，噪聲已降到60mV VP-P，差別顯著。

審核編輯：黃飛

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