SMPS 的拓扑、寄生电流和PCB 的走线

[导读]狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的。

狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成分，即使采用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。稳压电源一般包括整流电路、滤波电路和稳压电路三部分。 [1]整流电路将交流电变为脉动的直流电，但其中仍含有大量的交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路后加滤波电路可以滤去大部分交流成分。

纹波电压但由于滤波电路滤波不完整，使输出电压中仍含有一定的脉动交流成分，这种脉动交流成分称为纹波电压。经整流滤波后的输出电压经过稳压电路的稳压作用，使纹波电压大大降低，但仍不能完全滤除，降低的倍数反比于稳压系数S。

开关电源以其体积小、效率高等优点在通信设备中得到了广泛应用。但对于输出电压纹波要求较小的场合，传统开关电源设计的输出电压纹波较大，已不能达到设计要求。而通过采用本文的有源滤波器及其前端加入LC低通滤波器网络的方法，则能够对纹波进行有效抑制，从而达到设计所需要的指标。实验结果表明，该方法具有一定的理论与实际意义。

纹波和噪声

纹波和噪声电压通常出现在交流电压信号加到DC/DC 变换器的直流输入输出电容器上。SMPS的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波就是开关电源充放电时输出电压的波动;噪声就是发生在基频平均值的尖峰，通常称为RMS 噪声。纹波电压波形描述了输入输出电容器的充放电的结果，在最大负载时是极大的。高频噪声尖峰出现在SMPS 的开通和关断时刻，如图1，可由示波器准确地测试到。尽管噪声的重复频率由SMPS 的开关频率决定，但通常此频率包含的噪声尖峰频率高于开关频率;幅值的大小由SMPS 的拓扑、寄生电流和PCB 走线决定，尽管出现在高频，但噪声尖峰极易受探头和实验结构影响。

2 纹波和噪声的抑制

开关电源的输入纹波和噪声，如果不滤波，有时足以干扰其他装置。因此，有必要采取适当的方法来抑制这些纹波和噪声，减少对整个电路的影响。要想有效地抑制开关电源的纹波和噪声，首先就应该知道开关电源纹波和噪声的组成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基频开关输入纹波

对于一个Buck 变换器，输出电感在开关周期开通期间连接到输入，而在关断期间与输入断开。当输入电容器电流没有直流成分时，电源和输出电感电流在整个开关周期基本是恒定的(忽略电感纹波电流)。直流输入电压稳定时，输入电容器在开关导通期间的充电量(I*t)必须等于电容器在开关关断期间的放电量。

图2 为输入电容器的纹波电压和电流的波形，式(1)则描述了电压纹波的锯齿特性。纹波的大小随输入电压波动，在占空比为50%时最大。为减少输入纹波，要么增加电容量，要么减少输入电容Cin的等效串联电阻(ESR)。纹波和噪声电压通常出现在交流电压信号加到DC/DC 变换器的直流输入输出电容器上。SMPS的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波就是开关电源充放电时输出电压的波动;噪声就是发生在基频平均值的尖峰，通常称为RMS 噪声。纹波电压波形描述了输入输出电容器的充放电的结果，在最大负载时是极大的。高频噪声尖峰出现在SMPS 的开通和关断时刻，如图1，可由示波器准确地测试到。尽管噪声的重复频率由SMPS 的开关频率决定，但通常此频率包含的噪声尖峰频率高于开关频率;幅值的大小由SMPS 的拓扑、寄生电流和PCB 走线决定，尽管出现在高频，但噪声尖峰极易受探头和实验结构影响。

2.1 基频开关输入纹波

图2 为输入电容器的纹波电压和电流的波形，式(1)则描述了电压纹波的锯齿特性。纹波的大小随输入电压波动，在占空比为50%时最大。为减少输入纹波，要么增加电容量，要么减少输入电容Cin的等效串联电阻(ESR)。陶瓷电容器通常具有非常低的ESR，但对输入电压纹波影响不大。一个0805封装10 μF 10V X5R 电容器在直流3.6 V 应用中，实际容量约为4.2 μF. 对于1.8 V 400 mA 的输出负载，输入波纹电压的峰值为17.4 mV。

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。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。

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。