信號(hào)完整性系列之“如何降低電源紋波噪聲”
之前的文章《信號(hào)完整性系列之“PI”》介紹了電源完整性的概念，本文主要介紹如何降低電源紋波和噪聲。開關(guān)電源的輸出紋波噪聲主要來源于五個(gè)方面：輸入的低頻紋波、SSN高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。
紋波噪聲的產(chǎn)生
隨著SWITCH的開關(guān)，電感中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開關(guān)電源相同，為幾十到幾百KHz，MOS開關(guān)能到幾MHz。
另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者M(jìn)OSFET，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。
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(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。
紋波噪聲的抑制
紋波和噪聲從理論上和實(shí)際上都是存在的，很難消除，因此一般都是采取措施抑制或者減小紋波噪聲，將其控制在芯片可接受的范圍內(nèi)。常見的一些紋波噪聲抑制措施如下：
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加大電感和輸出電容濾波
可以看出，增加L值，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：
可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。
通常的做法，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。
應(yīng)用該對(duì)策后，BUCK型開關(guān)電源如下圖所示：
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二級(jí)濾波
采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前（Pa），輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點(diǎn)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(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
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輸出之后接LDO濾波
任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。經(jīng)過LDO之后，開關(guān)紋波一般在10mV以下。對(duì)幾百KHz的開關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi)，該LDO的效果就不那么理想了。
對(duì)于減小紋波，開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵。
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在二極管上并電容C或RC（區(qū)別RC Snubber電路）
上圖是實(shí)際用二極管的等效電路。二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。
在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC，其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。
對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開關(guān)技術(shù)。
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二極管后接電感（EMI濾波）
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