在應(yīng)用電源模塊常見的問題中，降低負(fù)載端的紋波噪聲是大多數(shù)用戶都關(guān)心的。下文結(jié)合紋波噪聲的波形、測(cè)試方式，從電源設(shè)計(jì)及外圍電路的角度出發(fā)，闡述幾種有效降低輸出紋波噪聲的方法。
1、電源的紋波與噪聲圖示
紋波和噪聲即：直流電源輸出上疊加的與電源開關(guān)頻率同頻的波動(dòng)為紋波，高頻雜音為噪聲。具體如圖1所示，頻率較低且有規(guī)律的波動(dòng)為紋波，尖峰部分為噪聲。
圖1
2、紋波噪聲的測(cè)試方法
對(duì)于中小微功率模塊電源的紋波噪聲測(cè)試，業(yè)內(nèi)主要采用平行線測(cè)試法和靠接法兩種。其中，平行線測(cè)試法用于引腳間距相對(duì)較大的產(chǎn)品，靠測(cè)法用于模塊引腳間距小的產(chǎn)品。
但不管用平行線測(cè)試法還是靠測(cè)法，都需要限制示波器的帶寬為20MHz，同時(shí)需要去掉地線夾。
具體如圖2和圖3所示。
圖2 平行線測(cè)試法
注1：C1為高頻電容，容量為1μF；C2為鉭電容，容量為10μF。
注2：兩平行銅箔帶之間的距離為2.5mm，兩平行銅箔帶的電壓降之和應(yīng)小于輸出電壓的2%。
圖3靠測(cè)法
3、去除地線夾測(cè)試的區(qū)別
測(cè)試紋波噪聲需要把地線夾去掉，主要是由于示波器的地線夾會(huì)吸收各種高頻噪聲，不能真實(shí)反映電源的輸出紋波噪聲，影響測(cè)量結(jié)果。下面的圖4和圖5分別展示了對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品，使用地線夾及取下地線夾測(cè)試的巨大差異。
圖4 使用地線夾測(cè)試-示波器垂直分辨率200mv/div
圖5 去除地線夾測(cè)試-示波器垂直分辨率50mv/div
4、設(shè)計(jì)上PCB布局的影響
好與壞的PCB布局，是設(shè)計(jì)上影響紋波噪聲的關(guān)鍵因素。差的PCB布局如圖6所示，變壓器輸出的地，直接通過過孔連到背部的地平面，地平面連接電源的輸出引腳。此布局在輸出5V/2A的負(fù)載下，實(shí)測(cè)電源尖峰達(dá)1.5V VP-P。
圖6 差的PCB布局
如圖7 所示是比較好的PCB布局，調(diào)整了變壓器的位置，將變壓器輸出地通過兩個(gè)電容后，再回到地平面和輸出引腳相連。實(shí)測(cè)在相同5V/2A輸出的負(fù)載下，噪聲已降到60mV VP-P，差別顯著。
圖7 好的PCB布局
5、輸出濾波電容的影響
輸出濾波電容的容值、ESR對(duì)模塊輸出的紋波噪聲也有直接影響。按圖8所示的 產(chǎn)品測(cè)試紋波噪聲。
外部不加外接電容，測(cè)試輸出的紋波噪聲，如圖圖9所示，約為100mV。同樣的輸入、負(fù)載條件下，電源的輸出端加226的MLCC，實(shí)測(cè)電源輸出的紋波噪聲降到不到40mV。
圖8 測(cè)試用圖
圖9 無(wú)外接電容
圖10 外加226電容
實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電容除容量、ESR外，建議負(fù)載端的電容在回到電源之前，先匯集到輸出電容，經(jīng)過電容濾波后，再回到電源，從而有效降低紋波噪聲對(duì)電路的影響。如圖11所示。
圖11 外部電容的位置
6、電感對(duì)紋波噪聲的影響
電感的感量及寄生電容對(duì)紋波噪聲的影響同樣顯著。一般地，感量大時(shí)對(duì)紋波抑制作用明顯，寄生電容小的電感對(duì)噪聲抑制效果好。以對(duì)紋波抑制為例，測(cè)試對(duì)電源輸出紋波的影響，測(cè)試圖如圖12所示。
圖12 測(cè)試電感濾波效果用例
根據(jù)圖12，我們先人為的把產(chǎn)品內(nèi)部的濾波電感短路，只用電容濾波，測(cè)得紋波噪聲如圖13所示，紋波峰峰值約50mV。
圖13 人為短路內(nèi)部濾波電感的紋波噪聲圖
下一步，在電源外部增加一個(gè)LC電路，在相同輸入、負(fù)載條件下，重測(cè)紋波噪聲圖，如圖14所示，紋波已接近直線，非常小。
圖14 外加LC的紋波噪聲圖
以上簡(jiǎn)單從紋波噪聲的圖例、測(cè)試方法開始，描述從電源設(shè)計(jì)、外部電路應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測(cè)試比較幾種降低紋波噪聲的方法。實(shí)際的工程應(yīng)用中還需考慮電容、電感的負(fù)載效應(yīng)、自激影響等，還需再做深究。