电源设计中如何降低纹波噪声

1、纹波的定义

纹波是指在直流电压或电流上，有规律的叠加在直流稳定量上的交流分量。现实中的电压和电流并不是完全稳定的一条直线，而是叠加有很多的波动，并且这些波动的频率是固定的，把这些波动叫做纹波。

2、噪声的定义

噪声是指叠加在纹波之上，非连续存在并无规律的电压或者电流尖峰。也就是说噪声指的是叠加在纹波上的杂波。下面的图1很好的描述了什么是纹波噪声。

3、纹波噪声的危害

当电源的纹波噪声过大时，它们可能会影响运放的精度，干扰AD或者DA模块的工作，使得整机的精度大幅度下降。

4、如何降低纹波噪声

(1)降低开关器件动作带来的纹波噪声：设计人员在实际的开发过程中，需要根据实际的电路参数及性能要求进行适当的调整，进行综合考虑。

(2)降低输入前端的低频纹波：增加滤波措施，各种类型的电容及电感滤波电路：LC、Π型等，或者在一些条件允许的系统中，也可以在前端及后端增加稳压器件，来降低纹波噪声，在这种情况下该部分的纹波噪声则完全由稳压器件的性能决定。

(3)降低线路寄生及耦合导致的纹波噪声：从设计上改善寄生参数(如优化工艺设计及PCB走线等等)，还可以施加共模滤波方案。

一、引言

开关电源因其高效率、小体积、轻重量等优点，在现代电子设备中得到了广泛应用。然而，开关电源在工作过程中会产生纹波噪声，这些噪声不仅会影响电源本身的性能，还可能对后续电路造成不良影响。因此，如何有效抑制开关电源的纹波噪声，成为了电源设计领域的重要课题。本文将详细探讨开关电源纹波噪声的抑制方法，以期为电源设计和应用提供参考。

二、开关电源纹波噪声的产生原因

开关电源的纹波噪声主要来源于以下几个方面：

电源本身的不稳定性：电压调节器和整流电源等电源设备在工作时可能存在一定的不稳定性，导致输出电压发生波动。

电源负载变化：当负载电流发生变化时，电源可能无法立即提供稳定的电压，导致输出电压产生波动。

电源线传输损耗：电源线路中存在一定的电阻和电感，当通过这些线路传输电能时，可能会导致电压波动。

干扰电源：附近的电子设备可能会干扰电源的工作，导致输出电压波动。

三、开关电源纹波噪声的抑制方法

针对开关电源纹波噪声的产生原因，我们可以采取以下方法来抑制纹波噪声：

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。因此，加大电感值和输出电容值可以减小纹波。通常的做法是，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，且ESR(等效串联电阻)也比较大。为了弥补这一不足，可以在电解电容旁边并联一个陶瓷电容。此外，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但电流是随开关变化的。因此，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，也可以对减小纹波起到一定的作用。

二级滤波

在输出端再加一级LC滤波器，可以有效抑制噪纹波。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，一般能够很好地减小纹波。但需要注意的是，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。因此，在选择LC滤波器时，需要综合考虑其对系统稳定性的影响。

使用LDO(低压差线性稳压器)滤波

在开关电源输出之后，接LDO滤波是减少纹波和噪声最有效的办法。LDO具有输出电压恒定、不需要改变原有反馈系统的优点，但同时也是成本最高、功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比(PSRR)，它是一条频率-dB曲线，表示LDO对纹波和噪声的抑制能力。

优化PCB布线

开关电源的PCB布线对抑制纹波噪声也非常关键。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。因此，在PCB布线时，需要特别注意高频噪声的抑制。简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感，以减小高频噪声的传播。

分布式抑制方式

一种减小纹波噪声的开关电源模块及其抑制方法采用了分布式的抑制方式。该模块包括开关电源、纹波抑制模块和噪声抑制模块。纹波抑制模块包括第一级分压单元和N个低压差线性稳压单元(LDO1, LDO2, … LDON);噪声抑制模块包括第二级分压单元和M个磁珠单元，第二级分压单元将直流电压(V1, V2, … VN)通过M个磁珠单元分配给M个需要不同或相同直流电压的负载供电。根据每路负载对负载供电电压纹波噪声的频段需求，选取相应磁珠的等效阻抗参数，从而实现有效的纹波抑制。

四、总结

本文详细探讨了开关电源纹波噪声的抑制方法，包括加大电感和输出电容滤波、二级滤波、使用LDO滤波、优化PCB布线以及分布式抑制方式等。这些方法各有优缺点，需要根据具体的应用场景和需求来选择合适的抑制方法。在实际应用中，还可以结合多种方法来达到更好的抑制效果。未来，随着电源设计技术的不断发展，相信会有更多有效的纹波噪声抑制方法被提出和应用。