来自这五个方面的电源纹波和噪声！ 一.什么是纹波？ 纹波(ripple)定义是指在直流电压或电流中叠加在直流稳定性上的交流量。 主要有以下危害： 1.1.电器上容易产生谐波，谐波会产生更多的危害； 1.2.降低电源效率； 1.3.强纹波会产生浪涌电压或电流，导致电器烧毁； 1.4.会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作； 1.5.会造成噪声干扰，使图像设备和音响设备无法正常工作。 二、纹波的表示方法 可以用有效值或峰值表示，也可以用绝对量和相对量表示； 单位一般为：mV 例如： 电源处于稳压状态，输出为12V5A，测量纹波的有效值为10mV，这10mV是纹波的绝对量，相对量是纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/12V=0.12%(电源解决方案专家:华星电源) 三、纹波测试方法 3.1．以20M示波器带宽为限制标准，电压设为PK-PK(也有量有效值)去除示波器控制头上的夹子和地线 (因为夹子和地线本身会形成一个环，就像天线接收杂信，引入一些不必要的杂信)，使用接地环(不使用接地环，但要考虑误差)，并联探头上的10个UF电解电容和0.1UF瓷片电容探针直接测试瓷片电容器；如果示波器探头不直接接触输出点，应使用双绞线或50Ω测量同轴电缆。(电源解决方案专家:华星电源)
四、开关电源纹波的主要分类 开关电源输出纹波主要来自五个方面： 4.1.输入低频纹波； 4.二、高频纹波； 4.3.寄生参数引起的共模纹波噪声； 4.4.电源器件开关过程中产生的超高频谐振噪声； 4.5.闭环调节控制引起的纹波噪声。 4.输入低频纹波： 低频纹波与输出电路的滤波容量有关。电容量不能无限增加，导致输出低频纹波残留。 交流纹波经DC/DC变换器衰减后，开关电源输出端出现低频噪声DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。 电流型控制DC/DC变换器的纹波抑制略高于电压类型。但其输出端的低频交流纹波仍然很大。为了实现开关电源的低线波输出，必须采取过滤措施。（电源解决方案专家：华兴电源） 可采用前级预稳压和增加DC/DC消除变换器闭环增益。 抑制低频纹波的几种常用方法： a、增加输出低频滤波器的电感和电容参数。 ●电容上的纹波有两种成分，一种是充放电时的电压升降，另一种是电流进出电容时的电流ESR上的I*R电压降量。 ●输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)可见，增加输出电容值可以减少纹波。 ●或考虑并联减少ESR值，或使用LOW ESR电容。 b、采用前馈控制方法降低频纹波分量。 ●feed forward control (FFC) 前馈控制是按照扰动产生校正作用的一种调节方式，主要用于一些纯滞后或容量滞后较大的被控参数的控制。 ●其目的是加快系统响应速度，提高系统调节质量。 4.二、高频纹波： 高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路 在电路中，如果输入直流电压的高频开关转换后通过电源器件实现稳压输出，则输出端包含与开关工作频率相同的高频纹波，其对外电路的影响主要与开关电源的转换频率、输出滤波器的结构和参数有关；（电源解决方案专家：华兴电源） 尽可能提高功率变换器的工作频率，可降低高频开关纹波的滤波要求。 抑制高频纹波的常用方法如下： a、为了提高高频纹波频率，提高开关电源的工作频率△I可以下式计算：
●可以看出，增加L值或增加开关频率可以减少电感中的电流波动。 b、高频滤波器的输出可以抑制高频纹波的输出。 c、采用多级滤波。 ●一般滤波多为C型，LC型、CLC类型，为了更好地抑制纹波，可以增加多层次LC滤波。 4.寄生参数引起的共模纹波噪声： 由于电源器件与散热器底板与变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，减少和控制电源器件、变压器与外壳之间的寄生电容，有效接地散热器（根据不同情况，可选择通过电容器或电容串电阻接地），并在输出侧增加共模电感和电容器，可降低输出共模纹波噪声。 因此，当矩形波电压作用于电源设备时，开关电源的输出端会产生共模纹波噪声。减少与控制电源设备、变压器和外壳之间的寄生电容，并在输出侧添加共模抑制电感和电容器，以减少输出共模纹波噪声。（电源解决方案专家：华兴电源） 常用的减少输出共模纹波噪声的方法： a、专门设计的输入输出EMI滤波器。
b、减少开关毛刺的幅度。 ●主开关管是开关电源的核心设备，也是干扰源。其工作频率与电磁干扰的强度直接相关。随着开关管工作频率的增加，开关管电压和电流的切换速度加快，传导干扰和辐射干扰也增加。 ●此外，主开关管上反并联钳位二极管的反向恢复特性较差，或电压尖峰吸收电路参数选择不当也会造成电磁干扰。 4.4、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声 超高频谐振噪声主要来源： ※ 二极管结电容在高频整流二极管反向恢复时，电源器件开关 ※ 电源器件结电容与线路寄生电感的谐振； ※ 频率一般为1-10MHz； 超高频谐振噪声可通过选择软恢复特性二极管、结电容小的开关管和降低布线长度来降低。 a、当承受反向电压时，理想的二极管将不会通过反向电流。 ●实际二极管正向导通时，PN结内的电荷 当二极管承受反向电压时，积累，PN结中积累的电荷将释放并形成反向恢复电流，与结电容等因素有关。在变压器泄漏和其他分布参数的影响下，反向恢复电流会产生强烈的高频衰减振荡。（电源解决方案专家：华兴电源） ●因此，输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。 ●二极管反向恢复的等效电路如下：
●图4中：R0为二次绕线电阻、引线电阻和二极管导通电阻之和；L变压器漏感与引线电感之和0； ●利用等效电路的计算公式i=Us/R0[1－e－(R0/L0)t]不难看出，反向恢复初期产生的电流峰值非常大。此外，由于后期恢复中关闭结电容的存在，在Us正弦衰减振荡也叠加在上面Uoe－atsin(ωt＋θ)。(电源解决方案专家:华星电源)
●输出整流二极管的反向恢复也可以通过在输出整流管上串联饱和电感来抑制。 ●如图5所示，饱和电感Ls串联二极管。饱和电感的磁芯是矩形的BH由曲线的磁性材料制成。和磁放大器使用的材料一样，这种磁芯具有很高的磁导率，这种磁芯在BH曲线上有一个垂直线性区域，容易饱和。在实际使用中，当输出整流二极管导通时，饱和电感在饱和状态下工作，相当于导线；当二极管关闭反向恢复时，饱和电感在电感特性状态下工作，阻碍反向恢复电流的显著变化，从而抑制其对外部的干扰。(电源解决方案专家:华星电源)
●图5饱和电感在减少二极管反向恢复电流中的应用 ●为了抑制二极管的尖峰，需要在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。 ●RC网络取值原则：C从0.01μF～0.1μF，串联电阻用于限制电容C的放电电流，阻尼电路阻抗引起的共振。 ● 一般按下式选择：U0/I0≤R(R不小于4Ω) b、由寄生参数引起的开关电源噪声 ●b1.开关电源的分布参数是大多数干扰的内在因素。噪声源是开关电源与散热器之间的分布电容、变压器一级之间的分布电容和原副侧的泄漏感。 ●b2.共模干扰是通过变压器初次分布电容和开关电源与散热器分布电容传输的。变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组的结构和制造工艺有关。 ●b3、通过改进绕组工艺和结构，增加绕组之间的绝缘，使用法拉第屏蔽来减少绕组之间的分布电容。（电源解决方案专家：华兴电源） ●b4.开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构和开关管的安装方法有关。屏蔽绝缘垫可减少开关管与散热器之间的分布电容。 ●如图6所示，高频工作下的元件具有高频寄生特性，影响其工作状态。导线变成发射线，电容变成电感，电感变成电容，电阻变成共振电路。从图6中的频率特性曲线可以看出，当频率过高时，各部件的频率特性发生了相当大的变化。为保证高频工作时开关电源的稳定性，在设计开关电源时要充分考虑元件在高频工作时的特性，选择具有较好高频特性的元件。此外，在高频时，由于电感的不可控性，导线寄生电感的感觉阻力显著增加，最终变成发射线。它已成为开关电源中的辐射干扰源。导线长度l ，线径D与其电感的关系如下：L(μH) = 0.002 l【ln（ 4l / d ) －1 】
c、设计PCB板材最好注意以下几点： ●c1.从输入到输出最好按顺序布线； ●c2、开关变压器下及附近不采用取样电路，保护电路、主芯片及振荡相关电路； ●c3.总接地点更适合输出滤波电容器，各电路接地点应分别从总接地点引出； ●c4、驱动信号到开关管尽可能短，尽可能粗，开关变压器到输出整流管也一样； 4.5 闭环调节控制引起的纹波噪声 以下方法可抑制此纹波： a、调节器的补偿可以抑制调节器自激引起的纹波增大。 ●例如： CCM该模式的反激变换器在输出传输函数之间有一个右半平面的零点。当空比开始变化（空比增加）时，输出将首先向相反的方向变化（电源输出电流减少），容易引起电路振荡。（电源解决方案专家：华兴电源） ●建议使用PID补偿器或DPID(在PID补偿器加一个超前补偿器。 b、合理选择闭环调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数。开环放大倍数过大，有时会引起调节器振荡或自激，增加输出线的含量。开环放大倍数过小会降低输出电压的稳定性，增加线波含量.因此，应合理选择调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数，并根据负载条件进行调整，以获得足够的环路稳定裕度。 c、纯滞后滤波环节在反馈通道中不增加.将延迟滞后降到最低.有利于抑制输出电压纹波，以提高闭环调节的快速性和及时性。 ●几种常见噪声波形。
(1)噪声波形如图7所示（a）所示。 原因：辅助电源或基准电压稳定性不足。 制措施：在相关部位并大电容。 （2）噪声波如图7（b）所示。 形成原因：布线不合理，引起交叉干扰。 抑制措施：调整布线。
（3）噪声波形如图8（c）所示。 形成原因：由于变压器漏感对采样形成干扰而引起自激，导致出现正弦振荡。（电源方案解决专家：华星电源） 抑制措施：变压器要适当加以屏蔽，且屏蔽层要接地。 改进变压器绕制工艺。 （4）噪声波形如图8（d）所示。幅值变化随机、无规则。 形成原因：在于采样电阻所加电压过高或印制板绝缘不良。 抑制措施：改进采样。 （5）噪声波形如图8（e）所示。 形成原因：整流二极管反向恢复期间引起的尖峰。 抑制措施：在二极管上并电容C或RC。 五、结语： 本文主要是对开关电源纹波进行了一些相关的分析，文中所诉的各个抑制措施都在实际应用上做过实验。但由于产生原因很多，因而其抑制措施也要视具体情况而定。只要对具体电路作出具体分析，找对源头所在，采取有针对性的抑制措施，就能取得较好的效果。（电源方案解决专家：华星电源） 六、附：不同输出滤波结构的滤波电容计算公式（仅供参考）