开关电源LC滤波器对噪纹波的抑制设计

电源工程师都知道，开关电源在运行过程中会产生多种纹波噪声，对电路性能和稳定性产生一定影响，所以要针对各种纹波噪声采取合理的措施来解决，那么如何做?

开关电源的纹波和噪声是一个本质问题，换而言之无论纹波和噪声多么小，也无法从根本上去除，再绝对的讲开关电源无论成本怎么提高，也无法完全达到线性电源的性能和特点。

那么，通常抑制或减少它的做法有五种：

1、加大电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

通常的做法，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。

上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大;输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了;增加开关频率，又会增加开关损失。

所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

2、二级滤波，就是再加一级LC 滤波器

LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

采样点选在LC 滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

采样点选在LC 滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。

3、开关电源输出之后，接LDO 滤波

这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线。

对减小纹波。开关电源的PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。

这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C 或RC，或串联电感。

4、在二极管上并电容C 或RC

二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器，产生高频振荡。

为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。

5、二极管后接电感(EMI 滤波)

这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。

小结：开关电源的应用和趋势事实上从未停止过，解决开关电源的场合应用问题最根本的最大的方向是受干扰用电设备与开关电源设计的干扰频点匹配问题，解决这一关键影响才是开关电源应用的宗旨和目的，任何一个易受干扰设备，无论多么的复杂和精密它都会有一个干扰范围和频点。

1、低频纹波噪声

主要是由于开关管开关状态的快速变化导致的。在开关管导通和关断过程中，电流和电压的快速变化会产生低频纹波噪声。这种噪声通常具有较低的频率，但可能对电路性能产生较大影响。

抑制方法：

①加大输出低频滤波的电感和电容参数，使其降低到所需的指标;

②采取前反馈控制方法，降低低频纹波分量。

2、高频纹波噪声

主要是由于开关电源内部电路中的元件参数不匹配或寄生效应导致的。例如，电容器的寄生电感、电阻器的寄生电容等都会产生高频纹波噪声。这种噪声通常具有较高的频率，但幅度相对较小。

抑制方法：

①采用多级滤波;

②加大输出高频滤波器，可抑制输出高频纹波;

③提高开关电源工作频率，以此提高高频纹波频率。

3、共模纹波噪声

是由于开关电源内部电路中的元件之间存在电位差而产生的。当开关电源工作在高频时，电位差会导致电流在元件之间流动，从而产生共模纹波噪声。这种噪声对电路性能和稳定性产生较大影响，需要采取措施进行抑制。

抑制方法：

①采取专门设计的EMI滤波器;

②降低开关刺幅度。

4、超高频谐振噪声

是由于开关电源内部电路中的元件之间存在谐振效应而产生的。当开关电源工作在高频时，元件之间的谐振效应会导致电流和电压的波动，从而产生超高频谐振噪声。这种噪声对电路性能和稳定性产生较大影响，需要采取措施进行抑制。

抑制方法：

①采用软恢复特性二极管;

②使用结电容小的开关管;

③减少布线长度。

5、闭环调节控制引起的纹波噪声

闭环调节控制是开关电源中常用的控制方法之一。然而，闭环调节控制可能会导致开关电源内部电路中的元件参数发生变化，从而产生纹波噪声。这种噪声通常具有较低的频率，但可能对电路性能产生较大影响。

抑制方法：

①在调节器输出增加对地的补偿网络，这是因为该补偿可以抑制调节器自激引起的纹波增大问题;

②合理选择闭环调节器的开环放大倍数和参数，最好根据负载状况调节;

③在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节，这样做的好处是可以使延时滞后降到最低，以此增加闭环调节的快速性和及时性，对抑制输出电压纹波是有益的。