开关电源纹波和噪声的抑制

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，噪声都会出现在开关波形的边缘，尽管噪声频率非常高，但仅用一个典型的旁路电容器是不能使其衰减的。陶瓷电容器的阻抗频率特性曲线，如图3 所示。当在100 MHz 或以上时，不论电容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。因此，在Buck 电路的输入电容上并联一个较小值的陶瓷电容器并不能有效地减少这种高频噪声。

由于陶瓷电容器在出现噪声的频段内呈感性，因此需要一些用于衰减的元件。在大多数情况下，这些元件仅会在PCB 印制板的走线上产生阻抗。在62 mil FR4 电路板上50 mil 宽2 盎司铜走线的阻抗典型值每英寸约为11 nH. 容量为1 μf、封装为0603的陶瓷电容器的典型感抗约为0.5 nH. 在100 MHz高频输入噪声时，这相当于21 dB 或减少1/12x. 在实际应用中总是期望能得到更多的衰减，但噪声频
率决定了L/R 网络的衰减量。加铁氧体虽可增加高频阻抗，但可使直流损耗降到最小。通过实验，测试给出旁路电容对纹波的抑制(如图4)、旁路电容和走线感抗对高频噪声的抑制(如图5)、铁氧体磁珠对纹波的抑制(如图8)。

2.3 铁氧体对纹波和噪声减少

如果电路板走线的阻抗不足以作为阻性元件构成低通滤波器，可用一个小铁氧体磁珠(贴片封装)增加阻抗，改善对噪声的抑制。使用铁氧体磁珠可以把输入纹波衰减近似为锯齿波，并可把它降低为基频成分。利用铁氧体磁珠的直流阻抗(Rb)和滤波电容(Cf)可以确定转折频率和在相应开关频率下的纹波衰减。铁氧体磁珠抑制纹波的典型电路(如图6)及相应的计算方法如下：

高频噪声的衰减要求测试在输入高频噪声的共振频率下铁氧体磁珠的阻抗。通常高频噪声出现在约400 MHz 时，而图7 中在400 MHz 下铁氧体磁珠的阻抗约140 Ω. 从图3 可知，滤波电容器在400 MHz 时相应的阻抗约为1 Ω 并且呈感性。

这样，利用该网络就可以大概计算出在400 MHz 时的衰减，等效模拟电路如图6 所示。

图9 为一个贴片封装的铁氧体磁珠的典型阻抗频率特性。铁氧体磁珠有一个很小的直流阻抗，使它通过直流电流对系统的效率有很小的影响。它还在变换器出现高频噪声的频带内拥有很大的阻抗。从曲线中可以看出，频率在200 MHz 以上时阻抗大于100 Ω. 在应用了铁氧体磁珠的例子中，有500mA 的额定电流和0.3 Ω 的直流阻抗，这就使附加器件的损耗可以降到最低。

3 结 论

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它装置。简单滤波方式可以用来降低输入噪声，改善电路的特性。在大多数情况下，共同输入电压的电路用陶瓷电容器就可以了，而在变换器输入与其他电路输入源之间连接铁氧体磁珠可以进一步衰减输入噪声。