開(kāi)關(guān)電源紋波和噪聲的抑制

1 紋波和噪聲

紋波和噪聲電壓通常出現(xiàn)在交流電壓信號(hào)加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開(kāi)關(guān)電源充放電時(shí)輸出電壓的波動(dòng)；噪聲就是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱(chēng)為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結(jié)果，在最大負(fù)載時(shí)是極大的。高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在SMPS 的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，如圖1，可由示波器準(zhǔn)確地測(cè)試到。盡管噪聲的重復(fù)頻率由SMPS 的開(kāi)關(guān)頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開(kāi)關(guān)頻率；幅值的大小由SMPS 的拓?fù)?、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現(xiàn)在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)影響。

2 紋波和噪聲的抑制

開(kāi)關(guān)電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時(shí)足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)抑制這些紋波和噪聲，減少對(duì)整個(gè)電路的影響。要想有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲，首先就應(yīng)該知道開(kāi)關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開(kāi)關(guān)輸入紋波

對(duì)于一個(gè)Buck 變換器，輸出電感在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)通期間連接到輸入，而在關(guān)斷期間與輸入斷開(kāi)。當(dāng)輸入電容器電流沒(méi)有直流成分時(shí)，電源和輸出電感電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，輸入電容器在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動(dòng)，在占空比為50%時(shí)最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯(lián)電阻(ESR)。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對(duì)輸入電壓紋波影響不大。一個(gè)0805封裝10 μF 10V X5R 電容器在直流3.6 V 應(yīng)用中，實(shí)際容量約為4.2 μF. 對(duì)于1.8 V 400 mA 的輸出負(fù)載，輸入波紋電壓的峰值為17.4 mV，見(jiàn)式(1)。

另外，計(jì)算輸入電容量時(shí)需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

摘 要：分析了開(kāi)關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分及哪些成分需要抑制。通過(guò)鐵氧體磁珠抑制基頻紋波和高頻噪聲的等效電路，得出結(jié)論為當(dāng)降壓型變換器與其他電路擁有共同的輸入電壓時(shí)，降壓型變換器的輸入噪聲完全可以干擾其他裝置；簡(jiǎn)單濾波方式可以用來(lái)降低輸入噪聲，改善電路的特性。最后給出了計(jì)算公式及結(jié)果。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；紋波和噪聲抑制；鐵氧體磁珠

1 紋波和噪聲

紋波和噪聲電壓通常出現(xiàn)在交流電壓信號(hào)加到DC/DC 變換器的直流輸入輸出電容器上。SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開(kāi)關(guān)電源充放電時(shí)輸出電壓的波動(dòng)；噪聲就是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱(chēng)為RMS 噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結(jié)果，在最大負(fù)載時(shí)是極大的。高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在SMPS 的開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)刻，如圖1，可由示波器準(zhǔn)確地測(cè)試到。盡管噪聲的重復(fù)頻率由SMPS 的開(kāi)關(guān)頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰頻率高于開(kāi)關(guān)頻率；幅值的大小由SMPS 的拓?fù)?、寄生電流和PCB 走線決定，盡管出現(xiàn)在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)影響。

2 紋波和噪聲的抑制

開(kāi)關(guān)電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時(shí)足以干擾其他裝置。因此，有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒▉?lái)抑制這些紋波和噪聲，減少對(duì)整個(gè)電路的影響。要想有效地抑制開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲，首先就應(yīng)該知道開(kāi)關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基頻開(kāi)關(guān)輸入紋波

對(duì)于一個(gè)Buck 變換器，輸出電感在開(kāi)關(guān)周期開(kāi)通期間連接到輸入，而在關(guān)斷期間與輸入斷開(kāi)。當(dāng)輸入電容器電流沒(méi)有直流成分時(shí)，電源和輸出電感電流在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期基本是恒定的(忽略電感紋波電流)。直流輸入電壓穩(wěn)定時(shí)，輸入電容器在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間的充電量(I*t)必須等于電容器在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間的放電量。

圖2 為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，式(1)則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動(dòng)，在占空比為50%時(shí)最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容Cin的等效串聯(lián)電阻(ESR)。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對(duì)輸入電壓紋波影響不大。一個(gè)0805封裝10 μF 10V X5R 電容器在直流3.6 V 應(yīng)用中，實(shí)際容量約為4.2 μF. 對(duì)于1.8 V 400 mA 的輸出負(fù)載，輸入波紋電壓的峰值為17.4 mV，見(jiàn)式(1)。

另外，計(jì)算輸入電容量時(shí)需要給定輸入電容的ESR 和紋波要求。

2.2 高頻噪聲

在便攜式應(yīng)用中，直流變換器的高頻輸入噪聲通常可達(dá)100 MHz 以上?！霸肼暋逼鋵?shí)是一個(gè)甚高頻振鈴或變換器電源部分的寄生振蕩。在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，能量?jī)?chǔ)存在感性和容性的寄生振蕩中直到消失。在每個(gè)周期內(nèi)，噪聲都會(huì)出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)波形的邊緣，盡管噪聲頻率非常高，但僅用一個(gè)典型的旁路電容器是不能使其衰減的。陶瓷電容器的阻抗頻率特性曲線，如圖3 所示。當(dāng)在100 MHz 或以上時(shí)，不論電容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。因此，在Buck 電路的輸入電容上并聯(lián)一個(gè)較小值的陶瓷電容器并不能有效地減少這種高頻噪聲。

2.3 鐵氧體對(duì)紋波和噪聲減少

如果電路板走線的阻抗不足以作為阻性元件構(gòu)成低通濾波器，可用一個(gè)小鐵氧體磁珠(貼片封裝)增加阻抗，改善對(duì)噪聲的抑制。使用鐵氧體磁珠可以把輸入紋波衰減近似為鋸齒波，并可把它降低為基頻成分。利用鐵氧體磁珠的直流阻抗(Rb)和濾波電容(Cf)可以確定轉(zhuǎn)折頻率和在相應(yīng)開(kāi)關(guān)頻率下的紋波衰減。鐵氧體磁珠抑制紋波的典型電路(如圖6)及相應(yīng)的計(jì)算方法如下：

高頻噪聲的衰減要求測(cè)試在輸入高頻噪聲的共振頻率下鐵氧體磁珠的阻抗。通常高頻噪聲出現(xiàn)在約400 MHz