如何正确地理解电源纹波、噪声及其抑制方法

如何正确地理解电源纹波、噪声及其抑制方法

关于电源噪声与纹波相关，是每个硬件工程师都避不开的话题。那么如何正确区分纹波与噪声显得尤其重要。

本篇文章针对电源纹波与噪声做一些简单的描述，我们先来认识一下什么是电源的纹波与噪声。

1.什么是纹波？

1.1 纹波的产生

纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压、滤波等环节而形成的，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成份，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。一般我们看到的纹波的形式如下图所示，有点像是锯齿波。

由此我们知道，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。

1.2纹波的表示方法及及其危害

表示方法：可以用有效值或者峰值来表示，或者使用绝对量、相对量来表示。一般情况下，公司会使用峰峰值，也就是压差（波峰波谷相减）的绝对值来表示，同时会比较相对量是否满足标准要求。

单位：mV

举个例子来说明下：假如我们使用DC/DC输出3.3V的电，使用示波器有源探棒，调节端口为DC耦合（如果是无源探棒，则使用AC耦合，并调节偏置为3.3V），测试得到的纹波结果为±25mV（无源探棒测试结果对应为3.3V±25mV），那么我们可以说此DC/DC输出的纹波为50mV，这个是绝对量，而相对量即纹波系数 = 纹波电压/输出电压 = 50mV/3.3V=1.51%。
 

纹波的危害：

①容易在电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害；

②降低了电源的效率；

③较强的纹波或造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器件；

④会干扰数字电路的逻辑关系，影响正常工作；

⑤会带来噪音干扰，使得图像设备、音响设备不能正常工作。
 

1.3纹波分类及其抑制方法
 

首先需要说明的是不管是哪种纹波，减小纹波最有效的方法一般有四种：
 

1）输出用π型电路滤波，LC滤波；
 

2）增大电容；

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。
 

3）增大电感；

电感的选取，一般还要考虑到电感的额定电流大小。一般情况下在电路设计阶段需要选择比额定电感要大的电感。
 

4）合理布线。

需要说明的是，在实际调试过程中，要多方面尝试，因为有时单独增加电容和电感，效果并不理想。

输出纹波从频谱上分主要由低频纹波、开关频率纹波和高频纹波三个方面组成。

2.什么是噪声

2.1噪声的产生
 

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。

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。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。

2.2噪声与纹波的区别
 

在工程上，在对电源进行测试时，一般并不刻意地把纹波和噪声分开，测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰峰值表示。上述纹波的分类其实已经包含了噪声。
 

一般情况下，在测试过程中，我们测试DC/DC电源的输出为纹波测试，最远端芯片IC电源管脚的接收端为噪声测试。

以上是关于开关电源纹波与噪声总结的一些内容了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。

总之，它们在我们不需要的地方出现都是有害的，需要我们避免的。对于如何抑制和去除方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很难办到的，我们只有将其控制在一个允许的范围之内，不对环境和设备产生影响就算达到了我们的目的。