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五、开关电源纹波产生分析
随着SWITCH 的开关，电感L 中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH 同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR 有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。
另外，SWITCH 一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH 上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D 在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
如果是AC／DC 变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC 噪声，频率是输入AC 电源的频率，为50～60Hz 左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。因为本人是做汽车电子研发的，对于后两种噪声接触较少，所以暂不考虑。
开关电源纹波的测量
基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 带宽限制，拔掉探头的地线
1，AC 耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2，打开20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。
还有一点是要使用50Ω 终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω 模块是除去DC 成分，精确测量AC 成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ 到10MΩ 的探头测量，影响暂时不清楚。
上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω 同轴电缆方式测量。
在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz 级别。其他与上述相同。
可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。
关于示波器：
有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。泰克公司有专门分开测量上述两种纹波（噪声）的软件，可以看一下参考资料5。同样，关于示波器的接地，电源测试的相关知识，也可以看一下。
开关电源纹波的抑制
对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：
1，加大电感和输出电容滤波
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。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。
通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。
同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端（以BucK 型为例，是SWITcH 附近），并联电容来提供电流。
上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。
2，二级滤波，就是再加一级LC 滤波器
LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。
采样点选在LC 滤波器之前（Pa），输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。
采样点选在LC 滤波器之后（Pb），这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。
3，开关电源输出之后，接LDO 滤波
这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，如右图是凌特公司LT3024 的曲线。
对减小纹波。开关电源的PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C 或RC，或串联电感。
4，在二极管上并电容C 或RC
二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。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。
在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。
对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。
5，二极管后接电感（EMI 滤波）
这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。
六、开关电源PCB排版基本要点分析
摘要：开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题．详细讨论了开关电源PCB排版的基本要点，并描述了一些实用的PCB排版例子。
0 引言
为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC／DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB排版就变得非常重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以，没计人员需要对开关电源PCB排版基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。
1 开关电源PCB排版基本要点
l.1 电容高频滤波特性
图1是电容器基本结构和高频等效模型。
电容的基本公式是
式（1）显示，减小电容器极板之间的距离（d）和增加极板的截面积（A）将增加电容器的电容量。
电容通常存在等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗（Zc）。
一个电容器的谐振频率（fo）可以从它自身电容量（C）和等效串联电感量（LESL）得到，即
当一个电容器工作频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即
当电容器工作频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即
当电容器工作频率接近fo时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻（RESR）。
电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此，在选择旁路电容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来使用。图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。
电源排版基本要点1 旁路瓷片电容器的电容不能太大，而它的寄生串联电感应尽量小，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。
图4显示了在一个PCB上输入电源（Vin）至负载（RL）的不同走线方式。为了降低滤波电容器（C）的ESL，其引线长度应尽量减短；而Vin。正极至RL和Vin负极至R1的走线应尽量靠近。
1．2 电感高频滤波特性
图5中的电流环路类似于一匝线圈的电感。高频交流电流所产生的电磁场R（t）将环绕在此环路的外部和内部。如果高频电流环路面积（Ac）很大，就会在此环路的内外部产生很大的电磁干扰。
电感的基本公式是
从式（5）可知，减小环路的面积（Ac）和增加环路周长（lm）可减小L。
电感通常存在等效并联电阻（EPR）和等效并联电容（Cp）二个寄生参数。图6是电感在不同工作频率下的阻抗（ZL）。
谐振频率（fo）可以从电感自身电感值（L）和它的等效并联电容值（Cp）得到，即
当一个电感工作频率在fo以下时，电感阻抗随频率的上升而增加，即
当电感工作频率在fo以上时，电感阻抗随频率的上升而减小，即
当电感工作频率接近fo时，电感阻抗就等于它的等效并联电阻（REPR）。
在开关电源中电感的Cp应该控制得越小越好。同时必须注意到，同一电感量的电感会由于线圈结构不同而产生不同的Cp值。图7就显示了同一电感量的电感在二种不同的线圈结构下不同的Cp值。图7（a）电感的5匝绕组是按顺序绕制。这种线圈结构的Cp值是l匝线圈等效并联电容值（C）的1／5。图7（b）电感的5匝绕组是按交叉顺序绕制。其中绕组4和5放置在绕组1、2、3之间，而绕组l和5非常靠近。这种线圈结构所产牛的Cp是1匝线圈C值的两倍。
可以看到，相同电感量的两种电感的Cp值居然相差达数倍。在高频滤波上如果一个电感的Cp值太大，高频噪音就会很容易地通过Cp直接耦合到负载上。这样的电感也就失去了它的高频滤波功能。
图8显示了在一个PCB上Vin通过L至负载（RL）的不同走线方式。为了降低电感的Cp，电感的二个引脚应尽量远离。而Vin正极至RL和Vin负极至RL的走线应尽量靠近。
电源排版基本要点2 电感的寄生并联电容应尽量小，电感引脚焊盘之间的距离越远越好。
1.3 镜像面
电磁理论中的镜像面概念对设计者掌握开关电源的PCB排版会有很大的帮助。图9是镜像面的基本概念。
图9（a）是当直流电流在一个接地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回直流电流非常均匀地分布在整个地层面上。图9（h）显示当高频电流在同一个地层上方流过时的情景。此时在地层上的返回交流电流只能流在地层面的中间而地层面的两边则完全没有电流。 一日．理解了镜像面概念，我们很容易看到在图10中地层面上走线的问题。接地层（Ground Plane），没汁人员应该尽量避免在地层上放置任何功率或信号走线。一旦地层上的走线破坏了整个高频环路，该电路会产牛很强的电磁波辐射而破坏周边电子器件的正常工作。
电源排版基本要点3 避免在地层上放置任何功率或信号走线。
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