开关电源纹波和噪声的抑制

1 纹波和噪声

纹波和噪声电压通常出现在交流电压信号加到DC/DC 变换器的直流输入输出电容器上。SMPS的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波就是开关电源充放电时输出电压的波动；噪声就是发生在基频平均值的尖峰，通常称为RMS 噪声。纹波电压波形描述了输入输出电容器的充放电的结果，在最大负载时是极大的。高频噪声尖峰出现在SMPS 的开通和关断时刻，如图1，可由示波器准确地测试到。尽管噪声的重复频率由SMPS 的开关频率决定，但通常此频率包含的噪声尖峰频率高于开关频率；幅值的大小由SMPS 的拓扑、寄生电流和PCB 走线决定，尽管出现在高频，但噪声尖峰极易受探头和实验结构影响。

2 纹波和噪声的抑制

开关电源的输入纹波和噪声，如果不滤波，有时足以干扰其他装置。因此，有必要采取适当的方法来抑制这些纹波和噪声，减少对整个电路的影响。要想有效地抑制开关电源的纹波和噪声，首先就应该知道开关电源纹波和噪声的组成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基频开关输入纹波

对于一个Buck 变换器，输出电感在开关周期开通期间连接到输入，而在关断期间与输入断开。当输入电容器电流没有直流成分时，电源和输出电感电流在整个开关周期基本是恒定的(忽略电感纹波电流)。直流输入电压稳定时，输入电容器在开关导通期间的充电量(I*t)必须等于电容器在开关关断期间的放电量。

图2 为输入电容器的纹波电压和电流的波形，式(1)则描述了电压纹波的锯齿特性。纹波的大小随输入电压波动，在占空比为50%时最大。为减少输入纹波，要么增加电容量，要么减少输入电容Cin的等效串联电阻(ESR)。陶瓷电容器通常具有非常低的ESR，但对输入电压纹波影响不大。一个0805封装10 μF 10V X5R 电容器在直流3.6 V 应用中，实际容量约为4.2 μF. 对于1.8 V 400 mA 的输出负载，输入波纹电压的峰值为17.4 mV，见式(1)。

另外，计算输入电容量时需要给定输入电容的ESR 和纹波要求。

摘 要：分析了开关电源纹波和噪声的组成成分及哪些成分需要抑制。通过铁氧体磁珠抑制基频纹波和高频噪声的等效电路，得出结论为当降压型变换器与其他电路拥有共同的输入电压时，降压型变换器的输入噪声完全可以干扰其他装置；简单滤波方式可以用来降低输入噪声，改善电路的特性。最后给出了计算公式及结果。

关键词：开关电源；纹波和噪声抑制；铁氧体磁珠

1 纹波和噪声

纹波和噪声电压通常出现在交流电压信号加到DC/DC 变换器的直流输入输出电容器上。SMPS的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波就是开关电源充放电时输出电压的波动；噪声就是发生在基频平均值的尖峰，通常称为RMS 噪声。纹波电压波形描述了输入输出电容器的充放电的结果，在最大负载时是极大的。高频噪声尖峰出现在SMPS 的开通和关断时刻，如图1，可由示波器准确地测试到。尽管噪声的重复频率由SMPS 的开关频率决定，但通常此频率包含的噪声尖峰频率高于开关频率；幅值的大小由SMPS 的拓扑、寄生电流和PCB 走线决定，尽管出现在高频，但噪声尖峰极易受探头和实验结构影响。

2 纹波和噪声的抑制

开关电源的输入纹波和噪声，如果不滤波，有时足以干扰其他装置。因此，有必要采取适当的方法来抑制这些纹波和噪声，减少对整个电路的影响。要想有效地抑制开关电源的纹波和噪声，首先就应该知道开关电源纹波和噪声的组成成分，及哪些成分需要抑制。

2.1 基频开关输入纹波

对于一个Buck 变换器，输出电感在开关周期开通期间连接到输入，而在关断期间与输入断开。当输入电容器电流没有直流成分时，电源和输出电感电流在整个开关周期基本是恒定的(忽略电感纹波电流)。直流输入电压稳定时，输入电容器在开关导通期间的充电量(I*t)必须等于电容器在开关关断期间的放电量。

图2 为输入电容器的纹波电压和电流的波形，式(1)则描述了电压纹波的锯齿特性。纹波的大小随输入电压波动，在占空比为50%时最大。为减少输入纹波，要么增加电容量，要么减少输入电容Cin的等效串联电阻(ESR)。陶瓷电容器通常具有非常低的ESR，但对输入电压纹波影响不大。一个0805封装10 μF 10V X5R 电容器在直流3.6 V 应用中，实际容量约为4.2 μF. 对于1.8 V 400 mA 的输出负载，输入波纹电压的峰值为17.4 mV，见式(1)。

另外，计算输入电容量时需要给定输入电容的ESR 和纹波要求。

2.2 高频噪声

在便携式应用中，直流变换器的高频输入噪声通常可达100 MHz 以上。“噪声”其实是一个甚高频振铃或变换器电源部分的寄生振荡。在开关转换过程中，能量储存在感性和容性的寄生振荡中直到消失。在每个周期内，噪声