如何正確地理解電源紋波、噪聲及其抑制方法

關(guān)于電源噪聲與紋波相關(guān)，是每個(gè)硬件工程師都避不開的話題。那么如何正確區(qū)分紋波與噪聲顯得尤其重要。

本篇文章針對(duì)電源紋波與噪聲做一些簡單的描述，我們先來認(rèn)識(shí)一下什么是電源的紋波與噪聲。

1.什么是紋波？

1.1 紋波的產(chǎn)生

紋波是由于直流穩(wěn)定電源的電壓波動(dòng)而造成的一種現(xiàn)象，因?yàn)橹绷鞣€(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓、濾波等環(huán)節(jié)而形成的，由于濾波不徹底，就會(huì)有剩余的交流成份，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，它的形態(tài)一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。一般我們看到的紋波的形式如下圖所示，有點(diǎn)像是鋸齒波。

由此我們知道，開關(guān)電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動(dòng)，與開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開、關(guān)過程，電能從輸入端被"泵到"輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率與開關(guān)的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰值，其大小與開關(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)。

1.2紋波的表示方法及及其危害

表示方法：可以用有效值或者峰值來表示，或者使用絕對(duì)量、相對(duì)量來表示。一般情況下，公司會(huì)使用峰峰值，也就是壓差（波峰波谷相減）的絕對(duì)值來表示，同時(shí)會(huì)比較相對(duì)量是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

單位：mV

舉個(gè)例子來說明下：假如我們使用DC/DC輸出3.3V的電，使用示波器有源探棒，調(diào)節(jié)端口為DC耦合（如果是無源探棒，則使用AC耦合，并調(diào)節(jié)偏置為3.3V），測試得到的紋波結(jié)果為±25mV（無源探棒測試結(jié)果對(duì)應(yīng)為3.3V±25mV），那么我們可以說此DC/DC輸出的紋波為50mV，這個(gè)是絕對(duì)量，而相對(duì)量即紋波系數(shù) = 紋波電壓/輸出電壓 = 50mV/3.3V=1.51%。
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紋波的危害：

①容易在電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生更多的危害；

②降低了電源的效率；

③較強(qiáng)的紋波或造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器件；

④會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響正常工作；

⑤會(huì)帶來噪音干擾，使得圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。
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1.3紋波分類及其抑制方法
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首先需要說明的是不管是哪種紋波，減小紋波最有效的方法一般有四種：
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1）輸出用π型電路濾波，LC濾波；
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2）增大電容；

對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)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(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。同時(shí)，開關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)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(lián)電容來提供電流。
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3）增大電感；

電感的選取，一般還要考慮到電感的額定電流大小。一般情況下在電路設(shè)計(jì)階段需要選擇比額定電感要大的電感。
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4）合理布線。

需要說明的是，在實(shí)際調(diào)試過程中，要多方面嘗試，因?yàn)橛袝r(shí)單獨(dú)增加電容和電感，效果并不理想。

輸出紋波從頻譜上分主要由低頻紋波、開關(guān)頻率紋波和高頻紋波三個(gè)方面組成。

2.什么是噪聲

2.1噪聲的產(chǎn)生
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噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進(jìn)入開關(guān)電源。

SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)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。噪聲脈沖串的頻率比開關(guān)頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān)。

2.2噪聲與紋波的區(qū)別
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在工程上，在對(duì)電源進(jìn)行測試時(shí)，一般并不刻意地把紋波和噪聲分開，測量的是紋波和噪聲兩者的合成干擾，用峰峰值表示。上述紋波的分類其實(shí)已經(jīng)包含了噪聲。
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一般情況下，在測試過程中，我們測試DC/DC電源的輸出為紋波測試，最遠(yuǎn)端芯片IC電源管腳的接收端為噪聲測試。

以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波與噪聲總結(jié)的一些內(nèi)容了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用，重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等，選擇合適的方法。

總之，它們?cè)谖覀儾恍枰牡胤匠霈F(xiàn)都是有害的，需要我們避免的。對(duì)于如何抑制和去除方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很難辦到的，我們只有將其控制在一個(gè)允許的范圍之內(nèi)，不對(duì)環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生影響就算達(dá)到了我們的目的。