信号完整性系列之“如何降低电源纹波噪声”

[导读]本文主要介绍开关电源纹波噪声的产生及如何降低。

之前的文章《信号完整性系列之“PI”》介绍了电源完整性的概念，本文主要介绍如何降低电源纹波和噪声。开关电源的输出纹波噪声主要来源于五个方面：输入的低频纹波、SSN高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声。

纹波噪声的产生

随着SWITCH的开关，电感中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz，MOS开关能到几MHz。
另外，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。
如果是AC/DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
纹波噪声的抑制
纹波和噪声从理论上和实际上都是存在的，很难消除，因此一般都是采取措施抑制或者减小纹波噪声，将其控制在芯片可接受的范围内。常见的一些纹波噪声抑制措施如下：

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。纹波电流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。
同样，输出纹波与输出电容的关系：

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。
应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：

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。

二级滤波

二级滤波，就是再加一级LC滤波器。LC滤波器对噪声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。但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。

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。

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，实际应用中一般会采取前一级使用DC/DC，后一级使用LDO的方式。
任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。
对于减小纹波，开关电源的PCB布线也非常关键。

在二极管上并电容C或RC（区别RC Snubber电路）

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。

上图是实际用二极管的等效电路。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。