抑制电源纹波和减小高频噪声的方法解析

‌电源纹波的定义与产生

电源对于电子产品而言，不仅是能量的源泉，还可能带来诸如纹波和噪声等不利影响。这些纹波电压对高放、本振、混频、滤波、检波以及A/D变换等关键电路都会造成不良影响。在设计和制造控制设备、电子仪器、电视、摄像机等电子产品时，我们必须设法尽量减小纹波。为了实现这一目标，我们需要深入了解纹波的产生原理、有效的测量方法以及相应的抑制措施。

抑制电源纹波和减小高频噪声的方法主要包括以下几种‌：

‌电源模块设计优化‌：

‌选择低噪声电源芯片‌：线性电源(LDO)噪声低，但效率低，适合低功耗场景;开关电源(DC-DC)效率高，但需优化EMI设计，如采用同步整流技术‌。

‌增加输出滤波电容‌：使用陶瓷电容(高频噪声抑制，0.1μF~1μF)、电解电容(低频纹波抑制，10μF~1000μF)和钽电容(中频噪声抑制，1μF~100μF)‌1。

‌PCB布局与布线‌：

‌电源平面与地平面分层‌：四层板设计(信号层→地层→电源层→信号层)，降低地回路阻抗‌。

‌去耦电容布局‌：电容靠近电源引脚，缩短回流路径，如在IC电源引脚旁放置0.1μF陶瓷电容(高频噪声)和10μF钽电容(低频纹波)‌。

‌电源线宽设计‌：电流≥1A时，线宽≥20mil(0.5mm)，降低电阻与压降。

‌滤波与隔离技术‌：

‌输入滤波器‌：使用π型滤波器(LC或RC组合，抑制高频噪声)。

‌共模电感‌：抑制共模干扰，如电源线EMI‌。

‌输出滤波器‌：LC滤波器(L=10μH，C=10μF，截止频率约1.6kHz)，铁氧体磁珠(高频噪声吸收)‌。

‌隔离技术‌：光耦隔离(数字信号隔离)和变压器隔离(模拟信号隔离)‌。

‌接地设计‌：

‌单点接地与多点接地‌：低频电路(<1MHz)采用单点接地，高频电路(>10MHz)采用多点接地‌。

‌星形接地‌：敏感电路(如ADC)单独接地，避免数字噪声干扰。

‌屏蔽与防护‌：

‌金属外壳屏蔽‌：开关电源模块加屏蔽罩，降低辐射干扰‌。

‌瞬态抑制二极管(TVS)‌：保护电路免受浪涌电压冲击‌。

‌磁环套线‌：电源线缠绕磁环，抑制高频噪声‌。

开关电源所用的电源芯片，一般都是switch开关形式的，通过一定频率频繁打开和关断开关，同时利用电感的储能特性为负载供电。电感上的电流不是恒定的而是在有效值上下浮动，所以在输出端也会出现与切换频率相同的纹波，另外在切换的边沿会产生尖峰脉冲，这就形成了噪声。以上是开关电源噪声和纹波的来源，对于纹波和噪声比较敏感的负载电路，必须想办法抑制纹波、减小噪声后才可使用。一般有如下几种方式。

1.开关电源后使用LDO降压芯片

对于低电压供电的嵌入式主板而言，一般对纹波和噪声都有比较高的要求，不会直接使用开关电源供电，而是在开关电源后使用性能良好的LDO降压电源芯片。LDO的转换效率虽然不占优势，但是其纹波和噪声一般比较小，对于3.3V、1.2V等应用，都是使用LDO作为供电方案。

2.接入RC吸收电路

在使用DC/DC类电源芯片时，都会使用一个快速回复的二极管给输出构成续流回路，DC/DC类芯片的切换频率一般都是几百KHz，频率比较高。二极管在高速截止时，可能会产生高频振荡的情况，为了防止这种情况，会在二极管上并联RC吸收电路，但是对于具体的RC的参数，需要通过实验确定。

3.加入滤波电路

加如滤波电路是最常使用的滤波方法。由于电感具有阻碍电流变化的特性，所以电感值越大其电流的波动性也就越小，所以加大电感值可以抑制纹波。电容具有储能作用，电容值越大储能能力越强，其滤波效果越明显。所以适当加大电感值和电容值可以抑制纹波和噪声。

低频纹波与输出电路的滤波电容容量紧密相关

由于电容容量无法无限增加，因此总会存在一定量的低频纹波。经过DC/DC变换器衰减后的交流纹波，在开关电源输出端呈现为低频噪声，其大小主要受DC/DC变换器的变比和控制系统增益的影响。值得注意的是，电流型控制DC/DC变换器的纹波抑制相比电压型有所提升，但输出端的低频交流纹波仍相对较大。为了实现开关电源的低纹波输出，必须采取措施对低频电源纹波进行滤波，这可以通过前级预稳压和增大DC/DC变换器闭环增益来实现。

具体来说，抑制低频纹波的常用方法包括：

a、增加输出低频滤波的电感和电容参数，从而降低低频纹波至所需水平。

b、采用前馈控制方法，进一步减小低频纹波分量。

高频纹波噪声则主要源自高频功率开关变换电路

在电路中，功率器件对输入直流电压进行高频开关变换后，经过整流滤波实现稳压输出。这一过程中，输出端会产生与开关工作频率相同的高频纹波。这种纹波对外电路的影响程度与开关电源的变换频率、输出滤波器的结构及参数密切相关。在设计中，提高功率变换器的工作频率可以有效降低对高频开关纹波的滤波要求。

高频纹波的抑制旨在为高频纹波提供有效的通路，以降低其对外电路的影响。为实现这一目的，可以采用以下策略：

a、提升开关电源的工作频率，从而增加高频纹波的频率，进而更易抑制输出端的高频纹波。

b、增大输出端的高频滤波器容量，以减少高频纹波的幅度。

c、采用多级滤波技术，进一步提升对高频纹波的抑制效果。

此外，开关电源的输出端还会产生共模纹波噪声，这主要是由于功率器件与散热器底板、变压器原副边以及导线之间的寄生电容和寄生电感所致。为了减小这种噪声，可以采取以下措施：

a、在输出侧增加专门设计的EMI滤波器，以降低共模纹波噪声的幅度。

b、优化开关电源的设计，降低开关毛刺的幅度，从而减小共模纹波噪声。

另外，超高频谐振噪声也是开关电源中常见的问题之一，它主要来源于高频整流二极管的反向恢复以及功率器件的开关过程。为了减少这种噪声，可以采取以下策略：

a、选用具有软恢复特性的二极管，以降低反向恢复时的电压尖峰。

b、选择结电容较小的开关管，以减小谐振的影响。

c、优化布线设计，缩短布线长度，以降低线路寄生电感的影响。

开关电源的输出电压通常需要通过闭环控制系统进行稳定，然而，调节器参数设计的不合理可能会引发纹波问题。当输出端出现波动时，这些波动会通过反馈网络进入调节器回路，有时甚至可能导致调节器的自激振荡，进而产生无法预料的附加纹波。这种纹波电压的频率通常是不固定的，特别是在开关直流电源中，调节器参数选择的不当往往会导致输出纹波的显著增大。