降低电源纹波的理论与应用分析

【摘要】

本文以某单板在调试过程中的电源纹波过大问题，分析了开关DC/DC电源中纹波产生的原因、纹波大小的影响因素，在理论上分析了减小纹波的方法，并通过对实际电路参数的更改，降低了电源纹波值，将电源变的更加干净。

一 理论分析

在开关电源中，影响纹波的因素有很多，包括开关频率，续流电感，滤波电容，输入输出电压，电源负载，环境温度等。这些因素中对电源纹波的影响可能是相互加强也有可能是相互削弱，需要综合考虑各方面的因素才能将纹波值降下来。而对于常用的电源芯片，芯片厂家都会给出这些影响因素的理论分析，通过这些分析我们可以找出纹波最主要的影响因素。

通过下面的分析，可以看到纹波产生的影响因素有哪些：

在开关电源中，输出电压经过PWM波进行斩波后，经过电感进行续流，在这个过程中产生一个脉动电流，再经过电容滤波后对电压进行平滑，于是脉动电流在输出电容的ESR上产生一个纹波电压，同时脉动电流经过输出电容的充放电也会形成一个纹波电压。

图2：脉动电流与纹波电压的关系图

通过上图可以看出，纹波电压由两部分组成，一部分是脉动电流在输出电容ESR上产生的ΔVout-esr，另一部分是脉动电流在输出电容充放电过程中产生的ΔVout-c。由于这两部分纹波电压并不完全同相，因此总的纹波电压值要小于两部分的代数和。那么如果要降低纹波电压就需要从如何降低这两部分纹波电压入手。

在图2中可以定性的看出纹波电压的组成，但是这足以得出如何改变电路参数来降低纹

波电压值，还需要定量的计算脉动电流和纹波电压的值：

1）脉动电流峰峰值，式一：

需要注意的是，此式中的占空比D在输出电压低于1.2V，输出电流大于3A的情况下，需要考虑片内MOSFET和片外电感的损耗，其计算公式近似为：

2）输出电容ESR上产生的纹波电压，式二：

3）输出电容充放电产生的纹波电压，式三：

通过上面所列出的三个公式可以得出下面的几个结论：

1）增大开关频率，增大续流电感可减小脉动电流；

2）在输出电压一定的情况下，减小输入电压可减小脉动电流；

3）减小输出电容的ESR值，可减小纹波电压；

4）增大输出电容值可减小纹波电压。

二 实例分析

1、问题提出

在某单板中，1.0V电源采用的电源芯片为LM21305，为开关型DC/DC。单板测试时发现1.0V上的电源纹波约为12.0mV，虽然纹波的绝对值不大，且单板运行正常。但是，纹波值达到的电压值的1.2%，为了更使单板更加稳定，试图找出影响纹波的主要原因，并将纹波值减小。

图1 1.0V电源上的纹波值

2、问题分析解决

先看一下单板上原有参数下的计算值：

（1）芯片开关频率

由于芯片的开关频率可编程，可通过电阻进行配置，其相对应的关系如下：

式中，R=110K，理论可得F=451KHz，考虑到实际电阻误差，根据示波器测得实际开关频率F=464KHz.

（2）脉动电流峰峰值

将F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A

（3）纹波电压

此单板中输出电容是钽电容和陶瓷电容的组合，输出电容约为240μF。

根据厂家提供的信息，钽电容的ESR最大约为25mΩ，陶瓷电容未提供ESR值。陶瓷电容的ESR值较低，那么按照25mΩ计算可得

ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV

由于两部分纹波电压不同相，因此总的纹波电压小于20.58mV。

通过计算两部分纹波电压可看出，1.0V上的纹波电压主要的影响因素是脉动电流在电容的ESR上产生的纹波电压。那么，要降低这一部分的纹波电压，就要改变开关频率、输出电容以及电感中的一个或几个参数值。由于单板中的输出电容是钽电容，其ESR值已经比较小了，选用其他类型电容的优势不明显，另一方面，受封装、库存及负载电流的限制，电感值也不太好更换。相对来说，器件的开关频率容易改变，只需改变电阻值就可。根据前面的分析，提高开关频率可降低脉动电流的值，也就可以降低纹波电压的值。

将开关频率配置电阻改为56K，理论可得F=827.9KHz，考虑到实际电阻误差，根据示波器测得实际开关频率约为F=854KHz。同时将L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A

同样可计算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV

经过对比，开关频率的提高对降低纹波电压的效果明显。

通过计算和测量可看出，两者之间有一定的数据差距。这主要是计算中的数据有一些是近似值，另一方面测量的结果也有一定的误差。但是这并不影响我们评估纹波电压产生的主要渠道以及影响纹波电压的主要因素，并通过实践来评估效果。

更改开关频率后测得的纹波电压如下图：

图2 更改开关频率后1.0V电源上的纹波值

三 经验总结

纹波是板上电源一个很重要的参数，如何将纹波在合理的设计下降至最低是每个电源电路需要重点考虑的。虽然各种开关电源的设计参数不同，但是影响纹波的因素基本上都有开关频率，滤波电感，输出电容，那么减小纹波电压的过程其实也就是对上述几个参数进行匹配选择的过程。

1 开关频率，此值越大，可将脉冲电流值降低，也就可以减小纹波电压。但是频率越高，也就对单板产生越大的干扰，对EMI会有一定的影响。

2 电感，需要根据实际情况下的负载电流值及开关频率来选择，在合理的选择区间内选择较大的电感可降低脉动电流。

3 输出电容，需要选择低ESR和高容量的器件。并且优先选择温度特性好的电容，这样可使得温度变化大的环境下纹波值不至于过大。