如何抑制纹波提高开关电源整体性能

开关电源一般由脉冲宽度调制PWM控制IC和MOSFET构成，控制开关管时间比率维持稳定的输出电压。由于铁圈匝数以及铁芯体积的减少，开关电源的损耗很低，效率普遍较高，一般都能达到90%的电源效率。再加上其体积小，输出稳定，在很多方面都优势明显。

但换个角度看，其缺点也很明显。电路复杂、电源噪声大、瞬态响应不足、输出纹波复杂、易产生电磁干扰等等问题也是摆在面前的，对于一些低噪声电路，开关电源往往无能为力。这些缺点产生于何处，又该如何避免?

如果电源的纹波过大，那么容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害;最直观的就是降低了电源的效率;还有可能较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器;也会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作。

我们一般减弱纹波的方法有 5 种：

第一种是加大输出电感和输出电容来进行滤波，这种也是最简单方便的一种滤波手段，因为加大输出电容值可以延缓导通时间，增大电源的调节时间达到减小纹波的目的;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并联电容来提供电流。

第二种是在输出端增加一级 LC 滤波线路;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。

第三种是在开关电源输出之后接 LDO 滤波;这种方法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，但是也是成本最高，功耗最高的办法，一般使用在需要高精度输出的高端开关电源上，例如服务器的信号，医疗设备之类的高精度仪器上。

第四种是在二极管上并电容 C 或 RC，这种方法是有风险的，因为在二极管上并上一个电容或者 RC 线路，就有可能会构成振荡线路，如果参数没有调整好的化，那么就有可能然电源发生振荡现象。

第五种在输出二极管后再接一个π型线路进行滤波，这种方法是中高端电源常用的一种滤波手段，这种手段比 LC 的滤波效果会好一点，也被称为 CLC 滤波器。

抑制纹波提高开关电源整体性能

纹波可能会对电路产生各种危害，而且对电路极其致命。首先纹波一旦产生就容易引起谐波，对电路本身造成危害的同时降低电源效率。较高的纹波则会造成浪涌，直接破坏电路。即便不直接破坏掉电路，也会大大干扰数字电路的逻辑关系影响运行。

开关电源的输出纹波主要来源于输出低频纹波的残留、与开关工作相同高频的高频纹波、寄生引起的共模纹波噪声、功率器件开关超高频谐振噪声以及闭环调节控制引起的纹波噪声。输出低频纹波的残留源于输出电路的滤波电容容量不理想。抑制这一类纹波的方式相对简单，通过加大输出电容或者采用并联的方式减小ESR即可。闭环调节控制带来的纹波直接在调节器参数上做改进，也较容易实现。

与开关工作相同高频的高频纹波出现在使用功率器件对输入直流电压进行高频开关变换、整流滤波再实现稳压输出时，主要与开关电源的变换频率、输出滤波器的结构以及参数相关。想要抑制也是从开关电源的变换频率、输出滤波器的结构以及参数入手。加大输出高频滤波或者采用多级滤波都能更好地抑制纹波，从开关电源工作频率入手则可以通过提高开关电源工作频率来提高纹波频率以减小电感内的电流波动。

寄生电容寄生电感存在的地方很多，功率器件和变压器间存在的寄生电容，导线存在的寄生电感，因寄生而引起的共模纹波噪声需要采用专门设计的EMI滤波器来消除(抑制)，选择反向恢复性能更好的二极管也是很有用的办法。

功率器件在开关过程中产生的超高频谐振噪声较为复杂，不仅与结电容相关，和变压器漏感，开关电源的分布参数等等息息相关。合理的PCB布局在任何时候都是能给予整个电路系统更高稳定性的，在解决此类纹波时这是很重要的原则。

减少分布电容是抑制超高频谐振噪声一大方向，具体到方法可以通过采用带屏蔽的衬底减小开关管与散热之间的分布电容，或者通过改进绕制工艺和结构尽可能减小绕组间的分布电容。二极管和开关管的选择也非常重要，开关管的结电容会直接影响到噪声等级，二极管最好选用软恢复特性的，这样能尽可能减少超高频谐振噪声。

另外，温度变化会使得器件的参数发生变化，从而影响纹波，这也需要注意。

开关电源的EMI损害

EMI在任何电子系统中都会存在，在开关电源中，三极管和二极管在开关过程中，上升下降时间内电流变化很大，很容易产生射频能量形成干扰源。在开关管、二极管、高频变压器等元件上，干扰源都是极容易产生，而且开关电源的EMI信号占有很宽的频率范围，并且具有一定的幅度。

我们总会尽可能去抑制EMI，用于抑制EMI的技术也不在少数，在开关电源上常用于EMI控制的滤波技术、屏蔽技术、密封技术、接地技术都是比较常见的。在开关管和二极管开断过程中，由于存在变压器漏感和线路电感，很容易产生尖峰电压，通常这种情况下会采取的办法是使用RC/RCD吸收回路，吸收回路会明显改善开关波形。

减小功率开关管通断时的du/dt是抑制开关电源干扰很重要的部分。在开关电路基础上增加一个小电感、电容这些谐振元件就能构成软开关电路。软开关电路在开关过程前后引入了谐振，能消除电压电流重叠的现象，大大降低开关损耗和干扰。

小结

在开关电源设计上，纹波和EMI都是对电路产生不良影响的重要因素。而且二者来源极多，分布极广，如何对二者进行有效抑制是提高开关电源稳定性和效率的关键。