降低开关电源纹波的几大要素

在电子电气设备中，开关电源早已被被广泛应用于各种应用领域，如通信、计算机、工业控制等。然而，开关电源的输出往往会伴随着一定的纹波电压和纹波电流，这可能会对电子设备的稳定性和性能产生负面影响。因此，降低开关电源纹波成为了提高电源质量的重要课题。要实现这一目标，有几个关键要素需要被重视和优化。本文将介绍降低开关电源纹波的几大要素，帮助读者更好地理解和应用这些要素。

01

增大电感和输出电容器的滤波

根据开关电源方式，电感的电流变动幅度和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。当增大电感值和输出电容值时，可以减小纹波。类似地，输出纹波和输出容量之间的关系: 

vripple=Imax/(Co×f )

可以看出，当增大输出电容值时，可以减小纹波。在通常的做法中，输出电容器使用铝电解电容器，达到了大容量的目的。但是，由于电解电容器没有抑制高频噪声的效果，ESR也很大，因此在其旁边并联连接陶瓷电容器来弥补铝电解电容器的不足。

滤波电容的ESR和ESL是非常重要的参数，越低越好，仅追求容量是远远不够的，当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下，容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解的组合，纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解（低ESL型）配合。

其它，在开关电源动作的期间，输入端的电压Vin不变化，但是电流通过开关而变化。此时，输入电源无法供给电流，但通常在电流输入端子( BucK型例中为SWITcH附近)附近连接并联电容器来供给电流。这种做法只限于减少纹波。由于体积限制，电感器的输出容量不会在某种程度上变大，在减小纹波时若增大无效的开关频率，则开关损耗变大。因此，在要求严格的情况下，这种方法不太好。

至于储能电感，在工作频率下的Q值越大越好，很多人只注意到电感量，其实Q值的影响要大得多，电感量只要满足要求允许在很大范围内波动。

 

02

2次滤波器（追加LC滤波器）

 

已知LC滤波器对噪声纹波的抑制作用，但是要根据除去的频率选择适当的电感电容值来配置滤波器电路，这样才能有效的降低纹波。将采样点选择为LC滤波前( Pa )时，输出电压会下降。任何电感都有直流电阻，因此有电流输出时，电感会产生电压下降，电源的输出电压下降。而且，该电压降随输出电流而变化。在采样点选择LC滤波器后( Pb )，输出电压变为我们要求的电压。但是，像这样在电源系统内部导入电感器和电容器的话，系统有可能变得不稳定。

03

在二极管上并联连接电容器C或RC线

 

二极管高速通断时，考虑寄生参数。在二极管的反向恢复期间中，等效电感和等效电容成为RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这样的高频振荡，需要在二极管的两端并联连接电容器C或RC缓冲网络。电阻一般为10Ω-100 Ω，电容器为4.7pF-2.2nF。

当然以上是经验值，实际设计必须通过重复测试来确定和二极管并联连接的电容器C或RC的值。做出不恰当的选择反而会引起很大的振动。

04

二极管后置电感( EMI滤波器)

 

这也是抑制高频噪声的常用方法。通过为不产生噪声的频率选择适当的电感元件，可以类似地有效地抑制噪声。请注意，电感的额定电流符合实际要求。 

05

PCB良好的设计布局

 

开关电源的PCB设计非常重要，在前两个条件都满足时如果纹波参数还是达不到手册中载明的数值，问题就可以肯定是出在PCB上，开关电源芯片的取样及滤波回 路的设计非常讲究，PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差，严重时甚至可能导致自激（一般在特定的负载强度下发生），故不得不查。原则是取样回路和 滤波回路要尽量贴近开关电源IC，PCB走线不可太长、太细，类似的储能电感也有同样原则，只是影响稍小，布局、走线不利相当于降低了电感的Q值。 

 

举个例子

不良的PCB布局如下图所示，变压器输出的GND，直接通过过孔连到背部的地平面，地平面连接电源的输出引脚。此布局在输出5V/2A的负载下，实测电源尖峰达1.5V VP-P。变压器上的噪声没有经过输出的滤波电容直接通过了输出引脚，导致纹波噪声很大。

如下图所示是比较好的PCB布局，调整了变压器的位置，将变压器输出地通过两个电容后，再回到地平面和输出引脚相连。实测在相同5V/2A输出的负载下，噪声已降到60mV VP-P，差别显著。

审核编辑：黄飞