開關(guān)電源模塊的紋波和噪聲分析

王 娜 趙寰宇

電源是為電子產(chǎn)品提供電能的裝備，其性能直接影響電路的穩(wěn)定性。作為2 種常用電源，線性電源和開關(guān)電源因其自身特點可應(yīng)用于不同場合。線性電源具有高精度穩(wěn)壓特性，一般適用于對噪聲和紋波要求小的音頻、視頻設(shè)備；開關(guān)電源具有效率高、體積小等特點，適用于小型化、簡便化和高效率要求的交換、通信設(shè)備等。開關(guān)電源模塊將功能電路模塊化，使之高度集成，可直接焊接在電路板上，實現(xiàn)隔離、輸出電壓調(diào)節(jié)、保護等功能［1-3］。

開關(guān)電源利用三極管等半導(dǎo)體器件，最大限度地降低了損耗，但卻在開關(guān)過程中，不可避免地引入了電源紋波和噪聲［4-5］。作為開關(guān)電源的重要參數(shù)，電源紋波和噪聲過大會影響產(chǎn)品輸出精度，嚴重時會導(dǎo)致產(chǎn)品故障。為此，本文從紋波形成原理，示波器探頭、頻帶選擇，紋波測試方法和抑制措施等多角度進行研究和分析，為電源模塊高可靠性工作提供思路。

1 紋波形成原理

以降壓型電路為例，開關(guān)電源原理可以簡化為圖1，MOS 管在電 路 中 起開關(guān)作用［6］。當MOS 管導(dǎo)通時，二極管截止；當MOS 管截止時，形成泄流通路。

圖1 開關(guān)電源原理簡化圖

如圖2 所示，在MOS 管作用下，開關(guān)電源模塊輸出端最初產(chǎn)生方波，經(jīng)過電感后波形變?yōu)樾比牵缓蠼?jīng)電容器濾波作用后形成紋波，其簡單的公式推導(dǎo)如下：

圖2 紋波形成原理簡化圖

原始輸出：U=Ldi/dt，經(jīng)電感后，U/L=di/dt。式中：U 為輸出電壓；L 為電感量；di/dt 為電流變化率。

噪聲區(qū)別于紋波，它的產(chǎn)生頻率高，與開關(guān)電源自身拓撲結(jié)構(gòu)和外界電磁干擾相關(guān)。由于紋波是在開關(guān)電源模塊反復(fù)動作下產(chǎn)生的，所以其波動頻率與MOS 管通斷頻率一致。

2 示波器探頭和頻帶選擇

示波器探頭選擇關(guān)系到探頭與示波器阻抗的匹配問題，探頭分為有源探頭和無源探頭。有源探頭優(yōu)點是帶寬高、輸入阻抗小，一般為幾十kΩ，對信號無衰減，即輸入與輸出比為1∶1；缺點是電壓耐受低、價格昂貴。無源探頭帶寬低、信號10∶1 衰減，使用TEK 示波器時不能自動實現(xiàn)阻抗匹配，需設(shè)置示波器輸入電阻為1 MΩ；缺點是對空間干擾的敏感度較高。

測試電源模塊紋波和噪聲時，示波器帶寬一般選擇20 MHz，不同帶寬下測試結(jié)果差異較大。以一款5 V 轉(zhuǎn)5 V 應(yīng)用于通信供電的全新電源模塊為例，分別在示波器全帶寬500 MHz 和20 MHz 下進行滿載測試，測試結(jié)果見圖3。從圖3 可以看出，示波器帶寬為500 MHz 時，外界噪聲干擾多，所測紋波和噪聲峰峰值達312 mV，結(jié)果不可靠；示波器帶寬為20 MHz 時，測試紋波和噪聲峰峰值為20 mV，符合數(shù)據(jù)手冊指標要求，測試結(jié)果可靠。

3 紋波和噪聲測試方法

為了減小測試過程中外界的噪聲干擾，提高測試精度和可靠性，電源模塊紋波和噪聲測試有同軸電纜測試、雙絞線測試、平行線測試和靠接法測試等［7-8］。本文以靠接法測試為例，詳細說明測試過程及注意事項。

測試設(shè)備見表1，連接電路見圖4。為了過濾噪聲，在負載端并接10 uF 的鉭電容和0.1 uF 的陶瓷電容。選取輸入電壓標稱值，依次在空載、半載和滿載條件下，測試疊加在直流輸出端的紋波和噪聲。

1）區(qū)別于測試電源模塊的開關(guān)沖擊、過欠壓等時選用示波器的直流擋位，測試紋波和噪聲前需設(shè)置示波器為交流擋位。

2） 依據(jù)開關(guān)管的上升時間，設(shè)置帶寬為20 MHz，以減少外界噪聲和電磁干擾。

3） 示波器探頭直接采集電源模塊輸出管腳，可選擇用探頭的接地彈簧針代替探頭地線，以減少探頭地線與探針所形成的環(huán)路干擾，避免電磁噪聲干擾測試信號。

4）為過濾噪聲，負載輸出端并接電容一般選取ESR 低的10 uF 電解電容器。

5）供電電源限流點設(shè)置需滿足負載的可調(diào)性，避免測試過程中電源模塊無輸出電壓等特性。

6）測試紋波和噪聲時，電子負載設(shè)置需在恒流模式下進行負載調(diào)節(jié)。

圖3 不同帶寬下紋波和噪聲波形

表1 電源模塊測試設(shè)備

圖4 電源模塊測試電路

4 測試結(jié)果

標稱輸入電壓下，24 V 轉(zhuǎn)5 V 的DC-DC 電源模塊在空載、半載和滿載時的紋波和噪聲測試結(jié)果，如圖5 所示。示波器顯示的均方根和峰峰值分別代表紋波和噪聲。可以看出，空載時，輸出紋波和噪聲分別為1.23 mV 和6.80 mV，幾乎可以忽略不計； 半載時， 輸出紋波和噪聲分別是2.53 mV 和12.0 mV；隨著負載的增加，紋波和噪聲也逐漸增加，直至滿載時，紋波和噪聲分別為3.28 mV 和15.2 mV，已達到空載時的3 倍，此時負載對電源模塊的輸出紋波和噪聲影響較大。另外，通過調(diào)節(jié)輸入電壓在全范圍9～36 V 內(nèi)變化，得出輸入電壓的改變對輸出紋波和噪聲幾乎沒有影響。

5 紋波和噪聲抑制方法

依據(jù)紋波形成原理，當開關(guān)電源模塊紋波偏大時，可從以下方面進行改進。

1）增大濾波電容，使紋波平滑。不同頻段的紋波和噪聲選用不同的濾波器件。如果頻率小于100 kHz，選用低頻鋁電解電容器或鉭電容器抑制紋波；如果頻率大于100 kHz，選用高頻陶瓷電容器抑制紋波。

2）增大電感，以抑制電流突變。當電感無限增大時，雖然改善了電源模塊紋波和噪聲等穩(wěn)態(tài)特性，但同時也造成了電源不穩(wěn)定、負載波動等瞬態(tài)特性問題，所以一般對于由變壓器和導(dǎo)線構(gòu)成的共模電感，采用耦合電感，以通過電流變化監(jiān)測來調(diào)整電感值變化。

3）通過增大開關(guān)頻率來改善紋波。理想的方波上升沿上升時間和下降沿下降時間是趨于無窮小，而實際卻存在上升和下降時間，會使信號波形能量不足，形成紋波。所以改善紋波需要減小方波上升沿的邊沿能量，縮短邊沿爬升時間。但又會帶來新問題，即伴隨MOS 管工作次數(shù)增加，其功耗增加，導(dǎo)致效率降低。所以開關(guān)頻率需結(jié)合效率和紋波綜合分析后做出判斷。

4）優(yōu)化PCB 布局，抑制開關(guān)電源模塊的紋波和噪聲。有條件時增大地平面面積，以便減小電壓紋波；電感器盡可能靠近芯片管腳，以降低噪聲；盡可能減小敏感信號的地線長度，減少回流面積，降低干擾。

除了上述紋波和噪聲的問題外，開關(guān)電源模塊還存在以下問題需要注意：①電流沖擊大，與芯片負載無關(guān)，與電容值和邊沿爬升速度有關(guān)，所以為了減小電流沖擊，一般可從降低電容值和減緩邊沿爬升速度兩方面采取措施；②在選型時，選擇通流量大的電感器；③控制測試線纜長度，若過長，會導(dǎo)致電感感值增大，電感和電容的諧振峰發(fā)生偏移，產(chǎn)生過大噪聲；④波紋和噪聲一般出現(xiàn)在電源輕負載時，由頻率諧振引起電容機械振動，可通過點膠或波峰焊前刷錫膏，或采用柔性端子等方式改善。

圖5 不同負載下紋波和噪聲波形

6 結(jié)論

1） 紋波和噪聲的產(chǎn)生主要與開關(guān)電源內(nèi)部MOS 管的開關(guān)時間、頻率及外界電磁干擾相關(guān)。

2） 依據(jù)開關(guān)管的上升時間（約100 ns），測試過程中示波器帶寬選擇20 MHz，并且采用靠接法測試簡單方便，結(jié)果可靠性更高；負載波動對開關(guān)電源模塊的輸出紋波和噪聲影響較大。

3） 可從濾波電容、耦合電感、開關(guān)頻率和PCB 布局等方面改善紋波和噪聲。

此外，本文還總結(jié)了測試過程中電源模塊存在的其他問題，并給出相應(yīng)的解決方案，為電源模塊的設(shè)計、測試和維修等工作提供參考。