?電源紋波的定義與產生

電源對于電子產品而言，不僅是能量的源泉，還可能帶來諸如紋波和噪聲等不利影響。這些紋波電壓對高放、本振、混頻、濾波、檢波以及A/D變換等關鍵電路都會造成不良影響。在設計和制造控制設備、電子儀器、電視、攝像機等電子產品時，我們必須設法盡量減小紋波。為了實現這一目標，我們需要深入了解紋波的產生原理、有效的測量方法以及相應的抑制措施。

抑制電源紋波和減小高頻噪聲的方法主要包括以下幾種?：

?電源模塊設計優(yōu)化?：

?選擇低噪聲電源芯片?：線性電源(LDO)噪聲低，但效率低，適合低功耗場景;開關電源(DC-DC)效率高，但需優(yōu)化EMI設計，如采用同步整流技術?。

?增加輸出濾波電容?：使用陶瓷電容(高頻噪聲抑制，0.1μF~1μF)、電解電容(低頻紋波抑制，10μF~1000μF)和鉭電容(中頻噪聲抑制，1μF~100μF)?1。

?PCB布局與布線?：

?電源平面與地平面分層?：四層板設計(信號層→地層→電源層→信號層)，降低地回路阻抗?。

?去耦電容布局?：電容靠近電源引腳，縮短回流路徑，如在IC電源引腳旁放置0.1μF陶瓷電容(高頻噪聲)和10μF鉭電容(低頻紋波)?。

?電源線寬設計?：電流≥1A時，線寬≥20mil(0.5mm)，降低電阻與壓降。

?濾波與隔離技術?：

?輸入濾波器?：使用π型濾波器(LC或RC組合，抑制高頻噪聲)。

?共模電感?：抑制共模干擾，如電源線EMI?。

?輸出濾波器?：LC濾波器(L=10μH，C=10μF，截止頻率約1.6kHz)，鐵氧體磁珠(高頻噪聲吸收)?。

?隔離技術?：光耦隔離(數字信號隔離)和變壓器隔離(模擬信號隔離)?。

?接地設計?：

?單點接地與多點接地?：低頻電路(<1MHz)采用單點接地，高頻電路(>10MHz)采用多點接地?。

?星形接地?：敏感電路(如ADC)單獨接地，避免數字噪聲干擾。

?屏蔽與防護?：

?金屬外殼屏蔽?：開關電源模塊加屏蔽罩，降低輻射干擾?。

?瞬態(tài)抑制二極管(TVS)?：保護電路免受浪涌電壓沖擊?。

?磁環(huán)套線?：電源線纏繞磁環(huán)，抑制高頻噪聲?。

開關電源所用的電源芯片，一般都是switch開關形式的，通過一定頻率頻繁打開和關斷開關，同時利用電感的儲能特性為負載供電。電感上的電流不是恒定的而是在有效值上下浮動，所以在輸出端也會出現與切換頻率相同的紋波，另外在切換的邊沿會產生尖峰脈沖，這就形成了噪聲。以上是開關電源噪聲和紋波的來源，對于紋波和噪聲比較敏感的負載電路，必須想辦法抑制紋波、減小噪聲后才可使用。一般有如下幾種方式。

1.開關電源后使用LDO降壓芯片

對于低電壓供電的嵌入式主板而言，一般對紋波和噪聲都有比較高的要求，不會直接使用開關電源供電，而是在開關電源后使用性能良好的LDO降壓電源芯片。LDO的轉換效率雖然不占優(yōu)勢，但是其紋波和噪聲一般比較小，對于3.3V、1.2V等應用，都是使用LDO作為供電方案。

2.接入RC吸收電路

在使用DC/DC類電源芯片時，都會使用一個快速回復的二極管給輸出構成續(xù)流回路，DC/DC類芯片的切換頻率一般都是幾百KHz，頻率比較高。二極管在高速截止時，可能會產生高頻振蕩的情況，為了防止這種情況，會在二極管上并聯RC吸收電路，但是對于具體的RC的參數，需要通過實驗確定。

3.加入濾波電路

加如濾波電路是最常使用的濾波方法。由于電感具有阻礙電流變化的特性，所以電感值越大其電流的波動性也就越小，所以加大電感值可以抑制紋波。電容具有儲能作用，電容值越大儲能能力越強，其濾波效果越明顯。所以適當加大電感值和電容值可以抑制紋波和噪聲。

低頻紋波與輸出電路的濾波電容容量緊密相關

由于電容容量無法無限增加，因此總會存在一定量的低頻紋波。經過DC/DC變換器衰減后的交流紋波，在開關電源輸出端呈現為低頻噪聲，其大小主要受DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)增益的影響。值得注意的是，電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制相比電壓型有所提升，但輸出端的低頻交流紋波仍相對較大。為了實現開關電源的低紋波輸出，必須采取措施對低頻電源紋波進行濾波，這可以通過前級預穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來實現。

具體來說，抑制低頻紋波的常用方法包括：

a、增加輸出低頻濾波的電感和電容參數，從而降低低頻紋波至所需水平。

b、采用前饋控制方法，進一步減小低頻紋波分量。

高頻紋波噪聲則主要源自高頻功率開關變換電路

在電路中，功率器件對輸入直流電壓進行高頻開關變換后，經過整流濾波實現穩(wěn)壓輸出。這一過程中，輸出端會產生與開關工作頻率相同的高頻紋波。這種紋波對外電路的影響程度與開關電源的變換頻率、輸出濾波器的結構及參數密切相關。在設計中，提高功率變換器的工作頻率可以有效降低對高頻開關紋波的濾波要求。

高頻紋波的抑制旨在為高頻紋波提供有效的通路，以降低其對外電路的影響。為實現這一目的，可以采用以下策略：

a、提升開關電源的工作頻率，從而增加高頻紋波的頻率，進而更易抑制輸出端的高頻紋波。

b、增大輸出端的高頻濾波器容量，以減少高頻紋波的幅度。

c、采用多級濾波技術，進一步提升對高頻紋波的抑制效果。

此外，開關電源的輸出端還會產生共模紋波噪聲，這主要是由于功率器件與散熱器底板、變壓器原副邊以及導線之間的寄生電容和寄生電感所致。為了減小這種噪聲，可以采取以下措施：

a、在輸出側增加專門設計的EMI濾波器，以降低共模紋波噪聲的幅度。

b、優(yōu)化開關電源的設計，降低開關毛刺的幅度，從而減小共模紋波噪聲。

另外，超高頻諧振噪聲也是開關電源中常見的問題之一，它主要來源于高頻整流二極管的反向恢復以及功率器件的開關過程。為了減少這種噪聲，可以采取以下策略：

a、選用具有軟恢復特性的二極管，以降低反向恢復時的電壓尖峰。

b、選擇結電容較小的開關管，以減小諧振的影響。

c、優(yōu)化布線設計，縮短布線長度，以降低線路寄生電感的影響。

開關電源的輸出電壓通常需要通過閉環(huán)控制系統(tǒng)進行穩(wěn)定，然而，調節(jié)器參數設計的不合理可能會引發(fā)紋波問題。當輸出端出現波動時，這些波動會通過反饋網絡進入調節(jié)器回路，有時甚至可能導致調節(jié)器的自激振蕩，進而產生無法預料的附加紋波。這種紋波電壓的頻率通常是不固定的，特別是在開關直流電源中，調節(jié)器參數選擇的不當往往會導致輸出紋波的顯著增大。