PCB开关电源纹波的测量及抑制

当开关电源遇到纹波问题时人们习惯于从PCB原理图上找问题并试图通过更改原理设计解决纹波问题。这个思路不是不对只是一般思路，合理的原理设计是任何硬件系统稳定的第一必要条件。任何原理设计转化为实体才有意义而实体转化后的载体就是PCB，对于任何硬件系统PCB的设计及其重要，开关电源当然也不例外。开关转换发生在开关状态发生逆转的瞬间，这个时间一般小于100ns，但绝大多数干扰洞发生在这个阶段。实际上PCB开关电源的噪声和基本开关频率关系不大，而往往是开关转换的时间越短产生的纹波问题越多。

一、开关电源纹波的测量

基本要求：

1、使用示波器AC耦合

AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

2、20MHz带宽限制

打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

3、拔掉探头的地线

拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

4、要使用50Ω终端

横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。

上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可

注意：有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。

二、开关电源纹波的抑制

对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：

1、加大PCB上的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。

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，PCB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)，并联电容来为PCB提供电流。

上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为PCB的体积限制，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。所以在PCB要求比较严格时，这种方法并不是很好。

2、二级滤波，就是再加一级LC滤波器

LC滤波器对噪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PCB的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PCB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。

3、开关电源输出之后，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PCB成本最高，功耗最高的办法。

任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比，是一条频率-dB曲线。

对与减小纹波，开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，简单的可以参考美国国半公司的AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines。

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PCB的二极管上并电容C或RC，或串联电感。

4、在二极管上并电容C或RC

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-100 Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

在PCB的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PCB高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

5、二极管后接电感（EMI滤波）

这也是常用的抑制PCB高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。比较简单的做法，不再详细解释。