干貨收藏系列25：減少開關電源的紋波和噪聲電壓的措施

開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較，最突出的優點是轉換效率高，一般可達80%～85%，高的可達90%～97%；其次，開關電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應用范圍越來越廣。

但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀態，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），最好產品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線性電源的調整管工作于線性狀態，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

本文簡單地介紹開關電源產生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。

一、紋波和噪聲產生的原因

開關電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。

噪聲的產生原因有兩種，一種是開關電源自身產生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態及PCB的設計有關。

二、減小紋波和噪聲電壓的措施

開關電源除開關噪聲外，在AC/DC轉換器中輸入的市電經全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖17所示（圖a是全波整流、濾波電路，b是電壓及電流波形）。

電流波形中有高次諧波，它會增加噪聲輸出。良好的開關電源（AC/DC轉換器）在電路增加了功率因數校正（PFC）電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數提高到0.95左右，減小了對電網的污染。電路圖如圖1所示。

開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲，各部分電路的設計及PCB設計有關。例如，采用多相輸出結構，可有效地降低紋波輸出。

現在的開關電源的開關頻率越來越高；低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達1MHz以上。因此產生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲最簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。

1、減少EMI的措施

可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖3所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。

2 、在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容

采用高分子聚合物固態電解質的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的，其特點是尺寸小而電容量大，高頻下ESR阻抗低，允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。

例如，一種高分子聚合物鉭固態電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時的等效串聯電阻（ESR）最大值為25mΩ，最大的允許紋波電流（在100kHz時）為2400mArms，其尺寸為：7.3mm（長）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號為10TPE68M（貼片或封裝）。

紋波電壓ΔVOUT為：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的鋁電解電容作輸出電容，額定電壓10V、額定電容量100μF，在20℃、120Hz時的等效串聯電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量也無效，因為超過10kHz時，它已成電感特性了。

某些開關頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容（MLCC）或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯，其價位要比高分子聚合物固態電解質電容要低得多。

3 、采用與產品系統的頻率同步

為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統的頻率，使開關的頻率與系統的頻率相同。

4、避免多個模塊電源之間相互干擾

在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或將其適當遠離，減少其相互影響的干擾。

例如，用兩個K7805-500開關型模塊組成±5V輸出電源時，若兩個模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離輸出端較遠，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加，如圖4所示。

如果在同一塊PCB上有能產生噪聲干擾的電路，則在設計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關電源的相互干擾影響。

5 、增加LC濾波器

為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖5所示。圖5左圖是單輸出，圖21右圖是雙輸出。

在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動問題，LC的諧振頻率必須與開關頻率要錯開以避免相互干擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

有些小電流，負載相對比較恒定的場景，我們增加“RC濾波”。

LC濾波要注意，避免諧振。

6 、增加LDO

在開關電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要（見圖），輸出噪聲可達μV級。

由于LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV，則在開關電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標準電壓了，并且其損耗也不大。

7、增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器

有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，并且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時效率可達99%。輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動態響應及減小輸出電容。