抑制减少开关电源纹波的五种做法

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　开关电源纹波的测量
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- w3 w, j. C/ l　　要有效降低开关电源输出纹波我们首先得有个比较靠谱的测试方法，不能是由于测试方法的问题而导致的假波形是整改不好的
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　　基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 带宽限制，拔掉探头的地线

( a9 @* @1 J; p4 a  q  y, a　　1，AC 耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

　　2，打开20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
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　　3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

- o# {8 R- S1 ~1 J7 ]　　还有一点是要使用50Ω 终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω 模块是除去DC 成分，  测量AC 成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ 到10MΩ 的探头测量，影响暂时不清楚。
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　　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50Ω 同轴电缆方式测量。

　　在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz 级别。其他与上述相同。

  |0 H5 t* i7 W0 K8 S5 |& g  u　　可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底  要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。

8 A7 i5 y: I& B; X　　关于示波器：

. v  s' ?, ?( J: S/ W3 D　　有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。

　　开关电源纹波的抑制
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1 c8 Q1 N9 Z& V5 I- n# M  B% S9 n# H3 }　　对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有五种：
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) U( o; C# O7 x# u　　加大电感和输出电容滤波
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　　根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
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+ [) n5 z$ d1 r. z% D　　上图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出：
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0 z9 ^8 r6 k8 |2 s# ^. u0 P　　可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。
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  R% p+ q- `' v' l　　同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

　　通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。
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7 A  f! ~, @( S0 m: l　　同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK 型为例，是SWITcH 附近)，并联电容来提供电流。
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- W0 m# `7 Y$ Q4 p# U5 B+ q2 s8 I　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。
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  }* x6 j  r4 ~　　应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：

　　上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。

/ U4 K& c6 i$ w1 C, [# ^8 m　　关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

0 W% E& ^9 _- f- P2 P8 H　　二级滤波，就是再加  LC 滤波器
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　　LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。
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　　但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。（如下图所示）

4 _; b' f7 O8 T( e7 ~4 L　　采样点选在LC 滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

　　采样点选在LC 滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。

& {- E' b& i& R6 j2 L- d　　开关电源输出之后，接LDO 滤波

5 q4 f+ D6 i4 K: X　　这是减少纹波和噪声  有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本  ，功耗  的办法。

　　任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，如右图是凌特公司LT3024 的曲线。

　　经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。
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8 ]* e. E- }# e) r; \' n　　下图是LDO前后的纹波对比：
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　　对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。
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2 y( s$ z: J8 K! b3 O) P! f　　对减小纹波。开关电源的PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，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。
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" O; r' T" C1 d+ E4 j　　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。

0 _7 l& q- K; t) g' d) L　　在二极管上并电容C 或RC
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　　二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，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，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

　　在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

　　对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

　　二极管后接电感（EMI 滤波）
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　　这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。

　　小结

　　以上是关于开关电源纹波，总结的一些内容，如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全，但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。

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使用示波器AC 耦合

zhupinchao

电池电量指示电路图

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