開關電源紋波和噪聲的抑制

1 紋波和噪聲

紋波和噪聲電壓通常出現在交流電壓信號加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開關電源充放電時輸出電壓的波動；噪聲就是發生在基頻平均值的尖峰，通常稱為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結果，在最大負載時是極大的。高頻噪聲尖峰出現在SMPS 的開通和關斷時刻，如圖1，可由示波器準確地測試到。盡管噪聲的重復頻率由SMPS 的開關頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開關頻率；幅值的大小由SMPS 的拓撲、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實驗結構影響。

2 紋波和噪聲的抑制

開關電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當的方法來抑制這些紋波和噪聲，減少對整個電路的影響。要想有效地抑制開關電源的紋波和噪聲，首先就應該知道開關電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開關輸入紋波

對于一個Buck 變換器，輸出電感在開關周期開通期間連接到輸入，而在關斷期間與輸入斷開。當輸入電容器電流沒有直流成分時，電源和輸出電感電流在整個開關周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩定時，輸入電容器在開關導通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開關關斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動，在占空比為50%時最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯電阻(ESR)。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對輸入電壓紋波影響不大。一個0805封裝10 μF 10V X5R 電容器在直流3.6 V 應用中，實際容量約為4.2 μF. 對于1.8 V 400 mA 的輸出負載，輸入波紋電壓的峰值為17.4 mV，見式(1)。

另外，計算輸入電容量時需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

摘 要：分析了開關電源紋波和噪聲的組成成分及哪些成分需要抑制。通過鐵氧體磁珠抑制基頻紋波和高頻噪聲的等效電路，得出結論為當降壓型變換器與其他電路擁有共同的輸入電壓時，降壓型變換器的輸入噪聲完全可以干擾其他裝置；簡單濾波方式可以用來降低輸入噪聲，改善電路的特性。最后給出了計算公式及結果。

關鍵詞：開關電源；紋波和噪聲抑制；鐵氧體磁珠

1 紋波和噪聲

紋波和噪聲電壓通常出現在交流電壓信號加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開關電源充放電時輸出電壓的波動；噪聲就是發生在基頻平均值的尖峰，通常稱為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結果，在最大負載時是極大的。高頻噪聲尖峰出現在SMPS 的開通和關斷時刻，如圖1，可由示波器準確地測試到。盡管噪聲的重復頻率由SMPS 的開關頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開關頻率；幅值的大小由SMPS 的拓撲、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實驗結構影響。

2 紋波和噪聲的抑制

開關電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當的方法來抑制這些紋波和噪聲，減少對整個電路的影響。要想有效地抑制開關電源的紋波和噪聲，首先就應該知道開關電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開關輸入紋波

對于一個Buck 變換器，輸出電感在開關周期開通期間連接到輸入，而在關斷期間與輸入斷開。當輸入電容器電流沒有直流成分時，電源和輸出電感電流在整個開關周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩定時，輸入電容器在開關導通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開關關斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動，在占空比為50%時最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯電阻(ESR)。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對輸入電壓紋波影響不大。一個0805封裝10 μF 10V X5R 電容器在直流3.6 V 應用中，實際容量約為4.2 μF. 對于1.8 V 400 mA 的輸出負載，輸入波紋電壓的峰值為17.4 mV，見式(1)。

另外，計算輸入電容量時需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

2.2 高頻噪聲

在便攜式應用中，直流變換器的高頻輸入噪聲通常可達100 MHz 以上。“噪聲”其實是一個甚高頻振鈴或變換器電源部分的寄生振蕩。在開關轉換過程中，能量儲存在感性和容性的寄生振蕩中直到消失。在每個周期內，噪聲都會出現在開關波形的邊緣，盡管噪聲頻率非常高，但僅用一個典型的旁路電容器是不能使其衰減的。陶瓷電容器的阻抗頻率特性曲線，如圖3 所示。當在100 MHz 或以上時，不論電容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。因此，在Buck 電路的輸入電容上并聯一個較小值的陶瓷電容器并不能有效地減少這種高頻噪聲。

2.3 鐵氧體對紋波和噪聲減少

如果電路板走線的阻抗不足以作為阻性元件構成低通濾波器，可用一個小鐵氧體磁珠(貼片封裝)增加阻抗，改善對噪聲的抑制。使用鐵氧體磁珠可以把輸入紋波衰減近似為鋸齒波，并可把它降低為基頻成分。利用鐵氧體磁珠的直流阻抗(Rb)和濾波電容(Cf)可以確定轉折頻率和在相應開關頻率下的紋波衰減。鐵氧體磁珠抑制紋波的典型電路(如圖6)及相應的計算方法如下：

高頻噪聲的衰減要求測試在輸入高頻噪聲的共振頻率下鐵氧體磁珠的阻抗。通常高頻噪聲出現在約400 MHz