五、開關電源紋波產生分析

　　隨著SWITCH 的開關，電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH 同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR 有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同，為幾十到幾百KHz。

　　另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH 上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

　　如果是AC／DC 變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。因為本人是做汽車電子研發的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開關電源紋波的測量

　　基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線

　　1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。

　　2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。

　　3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

　　還有一點是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數情況是使用標配100KΩ 到10MΩ 的探頭測量，影響暫時不清楚。

　　上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測量。

　　在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級別。其他與上述相同。

　　可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可。

　　關于示波器：

　　有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現要比數字示波器好。泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波（噪聲）的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關于示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。

　　開關電源紋波的抑制

　　對于開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：

　　1，加大電感和輸出電容濾波

　　根據開關電源的公式，電感內電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

　　同樣，輸出紋波與輸出電容的關系：vripple=Imax/（Co×f）。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

　　通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR 也比較大，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。

　　同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端（以BucK 型為例，是SWITcH 附近），并聯電容來提供電流。

　　上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大；輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了；增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法并不是很好。關于開關電源的原理等，可以參考各類開關電源設計手冊。

　　2，二級濾波，就是再加一級LC 濾波器

　　LC 濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

　　采樣點選在LC 濾波器之前（Pa），輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

　　采樣點選在LC 濾波器之后（Pb），這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。關于系統穩定，很多資料有介紹，這里不詳細寫了。

　　3，開關電源輸出之后，接LDO 濾波

　　這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項指標：噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線，如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。

　　對減小紋波。開關電源的PCB 布線也非常關鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師，對于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯電感。

　　4，在二極管上并電容C 或RC

　　二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC 振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯電容C或RC 緩沖網絡。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

　　在二極管上并聯的電容C 或者RC，其取值要經過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

　　對高頻噪聲要求嚴格的話，可以采用軟開關技術。關于軟開關，有很多書專門介紹。

　　5，二極管后接電感（EMI 濾波）

　　這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。

　　六、開關電源PCB排版基本要點分析

　　摘要：開關電源PCB排版是開發電源產品中的一個重要過程。許多情況下，一個在紙上設計得非常完美的電源可能在初次調試時無法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問題．詳細討論了開關電源PCB排版的基本要點，并描述了一些實用的PCB排版例子。

　　0 引言

　　為了適應電子產品飛快的更新換代節奏，產品設計工程師更傾向于選擇在市場上很容易采購到的AC／DC適配器，并把多組直流電源直接安裝在系統的線路板上。由于開關電源產生的電磁干擾會影響到其電子產品的正常工作，正確的電源PCB排版就變得非常重要。開關電源PCB排版與數字電路PCB排版完全不一樣。在數字電路排版中，許多數字芯片可以通過PCB軟件來自動排列，且芯片之間的連接線可以通過PCB軟件來自動連接。用自動排版方式排出的開關電源肯定無法正常工作。所以，沒計人員需要對開關電源PCB排版基本規則和開關電源工作原理有一定的了解。

　　1 開關電源PCB排版基本要點

　　l.1 電容高頻濾波特性

　　圖1是電容器基本結構和高頻等效模型。

　　電容的基本公式是

　　式（1）顯示，減小電容器極板之間的距離（d）和增加極板的截面積（A）將增加電容器的電容量。

　　電容通常存在等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）二個寄生參數。圖2是電容器在不同工作頻率下的阻抗（Zc）。

　　一個電容器的諧振頻率（fo）可以從它自身電容量（C）和等效串聯電感量（LESL）得到，即

　　當一個電容器工作頻率在fo以下時，其阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當電容器工作頻率在fo以上時，其阻抗會隨頻率的上升而增加，即

　　當電容器工作頻率接近fo時，電容阻抗就等于它的等效串聯電阻（RESR）。

　　電解電容器一般都有很大的電容量和很大的等效串聯電感。由于它的諧振頻率很低，所以只能使用在低頻濾波上。鉭電容器一般都有較大電容量和較小等效串聯電感，因而它的諧振頻率會高于電解電容器，并能使用在中高頻濾波上。瓷片電容器電容量和等效串聯電感一般都很小，因而它的諧振頻率遠高于電解電容器和鉭電容器，所以能使用在高頻濾波和旁路電路上。由于小電容量瓷片電容器的諧振頻率會比大電容量瓷片電容器的諧振頻率要高，因此，在選擇旁路電容時不能光選用電容值過高的瓷片電容器。為了改善電容的高頻特性，多個不同特性的電容器可以并聯起來使用。圖3是多個不同特性的電容器并聯后阻抗改善的效果。

　　電源排版基本要點1 旁路瓷片電容器的電容不能太大，而它的寄生串聯電感應盡量小，多個電容器并聯能改善電容的高頻阻抗特性。

　　圖4顯示了在一個PCB上輸入電源（Vin）至負載（RL）的不同走線方式。為了降低濾波電容器（C）的ESL，其引線長度應盡量減短；而Vin。正極至RL和Vin負極至R1的走線應盡量靠近。

　　1．2 電感高頻濾波特性

　　圖5中的電流環路類似于一匝線圈的電感。高頻交流電流所產生的電磁場R（t）將環繞在此環路的外部和內部。如果高頻電流環路面積（Ac）很大，就會在此環路的內外部產生很大的電磁干擾。

　　電感的基本公式是

　　從式（5）可知，減小環路的面積（Ac）和增加環路周長（lm）可減小L。

　　電感通常存在等效并聯電阻（EPR）和等效并聯電容（Cp）二個寄生參數。圖6是電感在不同工作頻率下的阻抗（ZL）。

　　諧振頻率（fo）可以從電感自身電感值（L）和它的等效并聯電容值（Cp）得到，即

　　當一個電感工作頻率在fo以下時，電感阻抗隨頻率的上升而增加，即

　　當電感工作頻率在fo以上時，電感阻抗隨頻率的上升而減小，即

　　當電感工作頻率接近fo時，電感阻抗就等于它的等效并聯電阻（REPR）。

　　在開關電源中電感的Cp應該控制得越小越好。同時必須注意到，同一電感量的電感會由于線圈結構不同而產生不同的Cp值。圖7就顯示了同一電感量的電感在二種不同的線圈結構下不同的Cp值。圖7（a）電感的5匝繞組是按順序繞制。這種線圈結構的Cp值是l匝線圈等效并聯電容值（C）的1／5。圖7（b）電感的5匝繞組是按交叉順序繞制。其中繞組4和5放置在繞組1、2、3之間，而繞組l和5非常靠近。這種線圈結構所產牛的Cp是1匝線圈C值的兩倍。

　　可以看到，相同電感量的兩種電感的Cp值居然相差達數倍。在高頻濾波上如果一個電感的Cp值太大，高頻噪音就會很容易地通過Cp直接耦合到負載上。這樣的電感也就失去了它的高頻濾波功能。

　　圖8顯示了在一個PCB上Vin通過L至負載（RL）的不同走線方式。為了降低電感的Cp，電感的二個引腳應盡量遠離。而Vin正極至RL和Vin負極至RL的走線應盡量靠近。

　　電源排版基本要點2 電感的寄生并聯電容應盡量小，電感引腳焊盤之間的距離越遠越好。

　　1.3 鏡像面

　　電磁理論中的鏡像面概念對設計者掌握開關電源的PCB排版會有很大的幫助。圖9是鏡像面的基本概念。

　　圖9（a）是當直流電流在一個接地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回直流電流非常均勻地分布在整個地層面上。圖9（h）顯示當高頻電流在同一個地層上方流過時的情景。此時在地層上的返回交流電流只能流在地層面的中間而地層面的兩邊則完全沒有電流。 一日．理解了鏡像面概念，我們很容易看到在圖10中地層面上走線的問題。接地層（Ground Plane），沒汁人員應該盡量避免在地層上放置任何功率或信號走線。一旦地層上的走線破壞了整個高頻環路，該電路會產牛很強的電磁波輻射而破壞周邊電子器件的正常工作。

　　電源排版基本要點3 避免在地層上放置任何功率或信號走線。