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2018年08月09日 | 降低电源纹波噪声就这么简单
2018-08-09
在应用电源模块常见的问题中，降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低？下文为大家从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发，阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。
一、电源的纹波与噪声介绍
纹波和噪声即：直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波，高频杂音为噪声。具体如图1所示，频率较低且有规律的波动为纹波，尖峰部分为噪声。
图1
二、纹波噪声的测试方法
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试，业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中，平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品，靠测法用于模块引脚间距小的产品。
但不管用平行线测试法还是靠测法，都需要限制示波器的带宽为20MHz。具体如图2和图3所示。
图2 平行线测试法
注1：C1为高频电容，容量为1μF；C2为钽电容，容量为10μF。
注2：两平行铜箔带之间的距离为2.5mm，两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。
图3靠测法
三、去除地线夹测试的区别
测试纹波噪声需要把地线夹去掉，主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声，不能真实反映电源的输出纹波噪声，影响测量结果。下面的图4和图5分别展示了对同一个产品，使用地线夹及取下地线夹测试的巨大差异。
图4 使用地线夹测试-示波器垂直分辨率200mv/div
图5 去除地线夹测试-示波器垂直分辨率50mv/div
四、设计上PCB布局的影响
好与坏的PCB布局，是设计上影响纹波噪声的关键因素。差的PCB布局如图6所示，变压器输出的地，直接通过过孔连到背部的地平面，地平面连接电源的输出引脚。此布局在输出5V/2A的负载下，实测电源尖峰达1.5V VP-P。变压器上的噪声没有经过输出的滤波电容直接通过了输出引脚，导致纹波噪声很大。
图6 差的PCB布局
如图7 所示是比较好的PCB布局，调整了变压器的位置，将变压器输出地通过两个电容后，再回到地平面和输出引脚相连。实测在相同5V/2A输出的负载下，噪声已降到60mV VP-P，差别显著。
图7 好的PCB布局
五、输出滤波电容的影响
输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。按图8所示的P0505FLS-1W测试纹波噪声。
外部不加外接电容，测试输出的纹波噪声，如图9所示，约为52mV。同样的输入、负载条件下，电源的输出端放置MLCC，实测电源输出的纹波噪声降到不到36mV。
图8测试用图
图9 无外接电容
图10 外加电容
实际应用时，电容除容量、ESR外，建议负载端的电容在回到电源之前，先汇集到输出电容，经过电容滤波后，再回到电源，从而有效降低纹波噪声对电路的影响。如图11所示。
图11 外部电容的位置
六、电感对纹波噪声的影响
电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地，感量大时对纹波抑制作用明显，寄生电容小的电感对噪声抑制效果好。以对纹波抑制为例，测试对电源输出纹波的影响，测试图如图12所示。
图12 测试电感滤波效果用例
根据图12，我们先人为的把产品内部的滤波电感短路，只用电容滤波，测得纹波噪声如图13所示，纹波峰峰值约50mV。
图13人为短路内部滤波电感的纹波噪声图
下一步，在电源外部增加一个LC电路，在相同输入、负载条件下，重测纹波噪声图，如图14所示，纹波已接近直线，非常小。
图14 外加LC的纹波噪声图
七、非纹波的震荡处理
前面介绍了纹波是与开关电源的工作频率相关，但是还有另外一种震荡是与负载的工作频率相关的，如图15所示。
图15 负载工作周期大约1.1s
DC-DC电源模块给MCU、晶振、WiFi模块等电路同时供电，WIFI模块会继续周期性的扫描，扫描开启时，电源模块电流会增加，使得模块输出电压瞬间会有一个下降；同理扫描关断时，模块输出电压会上升突变。
这种模块输出电压的突变，并不是产品本身的纹波噪声，而是由于负载电流的突变，释放了电容电压。减小这类纹波的最好办法，是在负载前段增加π滤波器。
以上简单从纹波噪声的图例、测试方法开始，描述从电源设计、外部电路应用出发，结合实际测试比较几种降低纹波噪声的方法。实际的工程应用中还需考虑电容、电感的负载效应、自激影响等，需再做深究。
如果在电源模块选型中，选用低纹波噪声的电源模块，可省去外围电路的搭建。致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累，打造自主电源IC，推出P系列全工况优选型DC-DC电源，结合合理的PCB设计以及测试规范，较传统设计，纹波噪声低至50mV，为用户打造高可靠性供电环境。并且模块满载效率高达85%，轻载效率仍高至79%，保证全工况高效供电，有效降低电源温升，最大程度保证用户产品的可靠性，是板级直流供电的理想解决方案。
史海拾趣
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