如何在稳定直流信号中减小和抑制纹波噪声

在开关电源中，稳定直流信号中交流纹波的叠加通常都是工程师苦恼的问题，那么我们如何来减小和抑制纹波噪声呢？

什么是电源纹波，它是如何产生的呢？

随着开关电源的发展，越来越多的传统线性电源被其优越的性能替代，然而开关电源的输出纹波一直是令工程师头疼的问题，那么什么是电源纹波，它又是如何产生的呢？我们知道，开关电源输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于电路中滤波电路设计不尽合理，直流电平之上就会附着包含周期且随机的杂波，这就产生了纹波。在额定输出电压、电流的情况下，输出直流电压中的交流电压的峰值就是通常所说的纹波电压。简单来说，纹波就是叠加在稳定直流输出上的交流成分。

图 1 开关电源主要结构

测试电源纹波及抑制电源纹波的方法

开关电源中携带的纹波会在降低电源的使用效率，较高的纹波还可能会产生浪涌电压或电流，并且在数字电路中纹波还会干扰电路逻辑电平关系，是百害无一利的；在开关电源的设计的过程中，我们不仅需要正确地测量纹波，并且要尽可能将纹波降低。

测量纹波的正确方法，通常需要以下几个步骤：

1. 首先探头要选择合适的档位，普通情况下建议使用X1档，避免不必要的噪声衰减影响纹波的测量；

2. 选择通道耦合方式为AC耦合，限制直流信号的输入；

3. 打开示波器的“带宽限制”功能，选择“20MHz”带宽限制，将不必要的高频噪声滤除；

4. 为避免电磁辐射等对信号的干扰，在测量时建议使用“接地弹簧”接地，避免长接地线带来的不必要干扰；

5. 调整水平时基，垂直档位及偏移，使纹波信号在屏幕的中央显示（图2蓝框内所示为示波器纹波测试结果）。

图 2 示波器测试纹波结果

为了有效减小纹波，在电路设计时，可以从以下几个方面来改善：

1. 增大电感或开关频率

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，可以提高开关频率，使每次传递的能量减小从而减小纹波（但增加开关频率，也会增加开关损耗），或增大传递能量的电感值L，使电流的突变峰值降低，从而减小纹波的波动幅度。

图 3 电感内电流波形

2. 增大电容

由输出纹波和输出电容值成反比，可以增加输出滤波电容来减小纹波，不能无限加大电容，大多数开关电源模块有最大容性负载限制。也可以在二极管和开关管上并电容C 或RC（如图4 ，D2、Q1所示），二极管在高速导通和关断时，在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

图 4 开关电源电路

3. 开关电源输出之后，增加稳压器

在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器（LDO）能大幅度地降低输出噪声，以满足对噪声特别有要求的电路需要，输出噪声可达μV级。由于LDO的压差（输入与输出电压的差值）仅几百mV，则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

4. 规范的PCB 布线

在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠得很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。如输出电容一般可采用两只，一只靠近整流管，另一只靠近输出端子的方式，两只小容量电容并联效果优于一只大容量电容的方式，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。

总结

在电源设计中，可采用上述方式来降低纹波，但是多多少少都是利弊共存，需要权衡最需要改善的点来选择合适的方案，当然也可以选择现成的稳定成品电源，其中的滤波电路、隔离部分等都已经高度集成于一体。致远电子基于近二十年的电源设计经验积累，自主研发设计自主电源IC，打造全工况优选型DC-DC电源，满足所有工况需求，为用户提供稳定、优质的供电解决方案。P系列隔离基于自主研发的开关电源芯片ZLG1002，相较于传统设计，纹波噪声低至40mV，为用户打造高可靠性供电环境。还实现了低至5mA的静态电流，待机功耗仅为25mW，待机如休眠般静谧，可有效降低待机时能量损失。

图 5 P_FLS-1W电源（纹波典型值为50mVp-p）

审核编辑：彭菁