解析如何降低开关电源输出纹波与噪声

[导读]开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较，最突出的优点是转换效率高，一般可达80%～85%，高的可达90%～97%;其次，开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，不仅重量减轻，体积也减小了，因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的1%左右(低的为输出电压的0.5%左右)，最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV;而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也较小，其单位是μV。

纹波和噪声产生的原因

开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI)，它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。

开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

纹波主要在五个方面：输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声。

1、低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。电容的容量不可能无限制地增加，导致输出低频纹波的残留。交流纹经 DC/DC 变换器衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大由 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 变换器的纹波抑制比电压型稍有提高。但其输出端的低频交流纹波仍较大。若要实现开关电源的低纹波输出，则必须对低频电源纹波采取滤波措施。可采用前级预稳压和增大 DC/DC 变换器闭环增益来消除。

低频纹波抑制的几种常用的方法：

a、加大输出低频滤波的电感，电容参数，使低频纹波降低到所需的指标。

b、采用前馈控制方法，降低低频纹波分量。

c、高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路。在电路中，通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换而后整流滤波再实现稳压输出的，在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波，其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中尽量提高功率变换器的工作频率，可以减少对高频开关纹波的滤波要求。

高频纹波抑制的目的是给高频纹波提供通路，常用的方法有以下几种：

a、提高开关电源工作频率，以提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波。

b、加大输出高频滤波器，可以抑制输出高频纹波。

c、采用多级滤波。

3、由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当矩形波电压作用于功率器件时，开关电源的输出端因此会产生共模纹波噪声。减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出侧加共模抑制电感及电容，可减小输出的共模纹波噪声。

减小输出共模纹波噪声的常用方法：

a、输出采用专门设计的 EMI 滤波器。

b、降低开关毛刺幅度。

4、超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振，频率一般为 1-10MHz，通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。

开关电源都需对输出电压进行闭环控制，调节器参数设计的不适当也会引起纹波。当输出端波动时通过反馈网络进入调节器回路，可能导致调节器的自激振荡，引起附加纹波。此纹波电压一般没有固定的频率。在开关直流电源中，往往因调节器参数选择不适当会引起输出纹波的增大。

这部分纹波可通过以下方法进行抑制：

a、在调节器输出增加对地的补偿网络，调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹波增大。