抑制电源纹波的方式详解

什么是电源纹波

直流电压波动会产生纹波现象，叠加在直流上的分量称为纹波，在我们平常的应用中DCDC输出电源纹波过大对于正常工作的芯片可能会造成影响，严重的会导致CPU挂机，如：板载DDR颗粒的VDD纹波过大可能会使得CPU对于DDR的数据读写出错，CPU访问到非法地址空间造成芯片的挂机。

电源输出交流纹波可以视为是直流输出叠加一个交流成份；从图中可以看出，纹波中包括了两个交流成份：一个DCDC输出的纹波信号与一个高频噪声的叠加。

在龙芯3A3000手册中对于芯片的电源纹波有明显的规定。

因此对于DCDC输出电压的纹波抑制显得尤为重要。根据BUCK电路输出纹波计算公式：

减少DCDC输出纹波的几种方式如下：

1、增大BUCK输出电容：

增大输出电容容量也就是增大了电源系统所存储的能量，当CPU在加载过程中需要大电流提供时，电源平面上较大的电容即可为CPU提供瞬时所需的能量，使得电压波动不大。但是电容的选择也是很重要的，对于小电流电源平面（负载电流3A这种）可能增加些许陶瓷电容即可达到较好的需求，但是对于大电流电源平面（负载电流上百A这种），所增加的电容容量就会变得很大，此时ESR就变成了考虑对象。通常CPU的核心电源都是低压大电流的，一般选择大容量低ESR的高分子铝电解电容，而不选择铝液体电解电容。

铝液体电解电容不同规格ESR如下：

高分子铝电解电容不同规格EESR如下：基本上为mΩ级

2、增大电源芯片的开关频率：

提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波，但是过大的开关频率容易造成EMI辐射超标，因此开关频率最好还是选择一个合适的值。

3、增大输出电感：

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。所以加大电感值可以减小输出电源的纹波。

4、优化反馈环路设计：

4.1、增加前馈电容

因为电源的反馈断加入了前馈电容，所以与反馈电阻形成新的零点和极点，虽然Cff在其零点频率之后引入了增益提升，此处涉及较深的控制理论，此处不再展开叙述。输出的高频信号可快速地通过电容到达芯片的FB管脚，是的电源芯片快速响应后级负载的变化。

4.2、选择带有COT控制模式的芯片

COT架构跟传统的固定频率控制方式相比具有更快的动态响应，在低占空比应用时这种优势会更明显。当负载突变时，输出电压下降，当低于参考电压时会立即打开高侧开关，而不像固定频率控制中必须接收外部时钟信号的触发才开启高侧开关，在TON阶段电感电流上升，如果反馈电压仍低于参考电压，会在一个最小关断时间后再次启动新的TON，高则开关会重复这种连续开启直到输出电压和电感电流都达到预期值，这也是COT快速动态响应的来源，通过改变开关频率来影响占空比并达到稳定输出的效果。例如：MPS公司的芯片MPQ8633A、MPQ8633B等

5、优化PCB设计：

DCDC输出纹波大小是电源平面系统性的问题，在绝大多数情况下通过以上措施理论上可以减小输出的纹波，但是也要注意PCB的布局与布线，比如：功率环路尽量小，反馈走线尽量短且远离其他干扰信号线等。

审核编辑：黄飞