DCDC电源中的纹波抑制设计

DC/DC电源中的纹波抑制设计
引言
开关电源以其体积小、效率高等优点在通信设备中得到了广泛应用。

但对于输出电压纹波要求较小的场合，传统开关电源设计的输出电压纹波较大，已不能达到设计要求。

而通过采用本文的有源滤波器及其前端加入LC低通滤波器网络的方法，则能够对纹波进行有效抑制，从而达到设计所需要的指标。

实验结果表明，该方法具有一定的理论与实际意义。

有源滤波器原理
有源滤波器的设计原理图如图1所示，图中采用了一个运算放大器、四个电阻和两个电容来构成有适当阻尼的二阶有源低通滤波器。

利用理想运放的分析方法，求得该电路的频率特性函数为：
一般情况下，根据二阶低通滤波器的频率特性函数为：
通过上式可以求出该有源滤波器的一些参数，如自然角频率ωn阻尼系数ξ和闭环增益Avf等：
由上面的公式可以推得二阶低通滤波器的幅频特性Avf(ω)和相频特性φf(ω)为：
图2所示是其幅频特性与相频特性图。

LC低通滤波器
在实际应用中，有源低通滤波器由于受到运算放大器的增益和带宽限制，其工作在高频段的波形效果不太理想，而在有源低通滤波器的前端加入截止频率较高的LC低通滤波器，则可以达到比较理想的纹波抑制效果。

其前端加入LC的滤波器原理图如图3所示。

实验结果及其波形
在有输出纹波的波形中，图4给出了未使用有源滤波网络的输出电压纹波图，而图5所示则是使用有源滤波网络后的输出电压纹波图。

结束语
通过对比可以看出，采用本文的有源滤波网络及在其前端加入LC低通滤波电路，可以有效的滤除电压纹波，达到方案中所要求的技术指标，同时，供电设备的工作稳定性也可得到可靠保证。

主题: 开关电源纹波的产生与控制开关电源输出纹波主要来源于五个方面：输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声1、低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。

电容的容量不可能无限制地增加，导致输出低频纹波的残留。

交流纹波经DC/DC变换器衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。

电流型控制DC / DC变换器的纹波抑制比电压型稍有提高。

但其输出端的低频交流纹波仍较大。

若要实现开关电源的低纹波输出，则必须对低频电源纹波采取滤波措施。

可采用前级预稳压和增大DC / DC变换器闭环增益来消除。

低频纹波抑制的几种常用的方法:a、加大输出低频滤波的电感，电容参数，使低频纹波降低到所需的指标。

b、采用前馈控制方法，降低低频纹波分量。

2、高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路，在电路中，通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换而后整流滤波再实现稳压输出的，在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波，其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关，设计中尽量提高功率变换器的工作频率，可以减少对高频开关纹波的滤波要求。

高频纹波抑制的目的是给高频纹波提供通路，常用的方法有以下几种:a、提高开关电源工作频率，以提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波b、加大输出高频滤波器，可以抑制输出高频纹波。

C、采用多级滤波。

3、由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当矩形波电压作用于功率器件时，开关电源的输出端因此会产生共模纹波噪声。

减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出侧加共模抑制电感及电容，可减小输出的共模纹波噪声。

减小输出共模纹波噪声的常用方法:a、输出采用专门设计的EMI滤波器。

b、降低开关毛刺幅度。

4、超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振，频率一般为1-10MHz,通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。

探析大功率高压直流电源纹波抑制措施摘要：高压直流电源的纹波抑制一直是激光器电源技术的关键问题，针对用于大功率激光器的高压直流电源的纹波抑制问题，本文提出了一种基于神经网络优化的全波对称倍压整流方法，该方法能够对整流电路的关键参数进行合理优化，提高纹波抑制效果，提升直流电源的输出性能。

关键词：大功率；高压直流电源；纹波；抑制措施大功率激光器装置在各类工业及科研领域都有广泛的应用，如分子气体激光器（CO2、CO等），可以产生各类从紫外到远红外波段范围的激光，且具有较高的效率和激光功率，连续输出时功率最高可达104W级，脉冲输出的能量最高可达104J/脉冲水平，这些激光器在装备制造及加工、光通信技术、核聚变等领域具有广泛的应用。

高压倍压加速器采用倍压整流电路产生的直流电压来加速带电粒子，其中高压电源对加速管的供电对整个带电粒子的加速起到关键性作用。

为了维持上述各类大型科研设备的大功率输出，设计一个能稳定高效地输出电能的高压直流电源十分必要，一般而言，高压直流电源主要由高频逆变和高压升压两部分组成，在逆变和升压的过程中会产生有害的纹波电压。

纹波电压主要由倍压整流电路的漏感及高压逆变电路残留的交流成分造成，如果不能及时滤除纹波电压，会对用电设备造成不利影响：①降低供电效率；②产生不期望的谐波，造成电压畸变；③产生浪涌电流，损害设备。

传统的全波对称倍压整流技术可以大大降低高压电源的纹波电压，但其电路参数的设计主要依赖于经验。

1纹波产生机理及抑制直流高压电源输出的纹波电压主要取决于高频、低频纹波及电源自身的控制系统噪声幅值。

高压直流电源的输出电压是通过对输入的整流直流电压经功率放大器进行脉宽调制、整流滤波等方法来实现的。

由脉动的整流电容产生的输出电压具有一定的脉冲性，因此会产生不期望的高频噪声。

此外，高压电源本身的内部结构也能导致纹波电压的产生。

纹波电压产生于高压电压自身运行过程中，其中低频纹波主要由整流环节中整流桥整流再经滤波电容得到，高频纹波产生于高频逆变过程，在纹波电压占比中整流环节的纹波电压值较高。

如何抑制电源纹波直流电压波动会产生纹波现象，叠加在直流上的分量称为纹波，在我们平常的应用中DCDC输出电源纹波过大对于正常工作的芯片可能会造成影响，严重的会导致CPU挂机，如：板载DDR颗粒的VDD纹波过大可能会使得CPU对于DDR的数据读写出错，CPU访问到非法地址空间造成芯片的挂机。

电源输出交流纹波可以视为是直流输出叠加一个交流成份；从图中可以看出，纹波中包括了两个交流成份：一个DCDC输出的纹波信号与一个高频噪声的叠加。

在龙芯3A3000手册中对于芯片的电源纹波有明显的规定。

因此对于DCDC输出电压的纹波抑制显得尤为重要。

根据BUCK电路输出纹波计算公式：减少DCDC输出纹波的几种方式如下：1、增大BUCK输出电容：增大输出电容容量也就是增大了电源系统所存储的能量，当CPU在加载过程中需要大电流提供时，电源平面上较大的电容即可为CPU 提供瞬时所需的能量，使得电压波动不大。

但是电容的选择也是很重要的，对于小电流电源平面（负载电流3A这种）可能增加些许陶瓷电容即可达到较好的需求，但是对于大电流电源平面（负载电流上百A这种），所增加的电容容量就会变得很大，此时ESR就变成了考虑对象。

通常CPU的核心电源都是低压大电流的，一般选择大容量低ESR的高分子铝电解电容，而不选择铝液体电解电容。

铝液体电解电容不同规格ESR如下：高分子铝电解电容不同规格EESR如下：基本上为mΩ级2、增大电源芯片的开关频率：提高高频纹波频率，有利于抑制输出高频纹波，但是过大的开关频率容易造成EMI辐射超标，因此开关频率最好还是选择一个合适的值。

3、增大输出电感：根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。

所以加大电感值可以减小输出电源的纹波。

4、优化反馈环路设计：4.1、增加前馈电容因为电源的反馈断加入了前馈电容，所以与反馈电阻形成新的零点和极点，虽然Cff在其零点频率之后引入了增益提升，此处涉及较深的控制理论，此处不再展开叙述。

DCDC滤除纹波的方法主要有以下几种：
1. 增大输出电感：电感越大，对高频噪声的抑制能力越强，因此增大输出电感可以有效地降低DCDC输出的纹波噪声。

2. 增大输出电容：电容可以吸收和存储电荷，因此增大输出电容可以减小DCDC输出的纹波噪声。

3. 在反馈的上电阻并一个前馈电容（一般为10pf\~100pf）：这种方法可以减少DCDC输出电压的纹波噪声，提高输出电压的稳定性。

4. 调节补偿引脚的RC参数：RC参数决定了DCDC的响应速度和稳定性，通过调整RC参数可以优化DCDC的输出性能，降低纹波噪声。

5. 在负载输入端加一级或者两级LC滤波电路：LC滤波电路可以有效地滤除高频噪声，提高DCDC输出的稳定性和可靠性。

需要注意的是，不同的DCDC电路和应用场景可能需要不同的滤波方法。

因此，在实际应用中，需要根据具体的电路参数和性能要求，选择合适的滤波方法。

同时，滤波电路的设计也需要考虑到成本、体积和可靠性等因素。

摘要：本文主要通过对开关直流电源纹波出现的原因进行了简要的论述，并通过分析其出现的原因来总结得出抑制纹波所需要采取的措施，从而使得开关直流电源的纹波能够得到合理的抑制，这样有助于保障开关直流电源能够有效的运行。

希望通过本文的探究，能够为相关的人员提供一定的借鉴和参考。

关键词：开关直流电源；纹波抑制；问题；措施开关电源主要是对电路电源进行控制，一般来说，开关电源的效率较高，输出的电压也可以进行有效的调节，并且也能够尽可能的降低损耗，在体积上也较小，自重较轻，由于开关电源有着的如此多的优点，使得其应用的范围相对较广。

但是开关电源中也存在着纹波的问题，采取有效的手段对纹波进行抑制，方能更好的保障电路运行的安全和稳定。

下面本文就主要针对开关直流电源的纹波抑制问题进行深入的探究。

1 开关电源纹波产生的原因开关电源主要的作用就是将电网电路中的电压整流有效的转化为直流电，在合理的利用高频开关的基础上，实现对直流电的逆向转换，使其形成交流电，然后再通过开关变压所具备的降压作用，来将高频二极管中的整流有效的转化为直流电并进行输出。

而在开关电源中，纹波的出现主要是受到了如下几种因素的影响：1.1 低频纹波一般来说，低频纹波主要是因为滤波电路中呈现出的电解电容量不足所导致的，开关电源本身的体积就相对较小，在这一因素的限制下，电解电容对的容量也就无法无限制的增加，其所能够容纳的容量也相对较小，这样就使得对低频纹波产生，而相较于其他的纹波形式来说，这种低频纹波会随着电流中纹波频率的整流变化而呈现出一定的变化。

1.2 高频纹波当开关电源的逆变桥开关管处于开关的状态时，要想使得高频开关所具有的变压器体积可以有效的缩减以及能够保障其标准的重量，就需要对开关管的开关转换频率进行有效的控制，如果开关转换的频率相对较高，那么尖峰电压过冲就会随之出现，这样也会产生一定的纹波，使得开关电源中所输出的电压也出现相应的纹波，从而纹波之间就会产生共模效应。

开关电源适配器输出纹波和噪声电压的抑制措施第一篇：开关电源适配器输出纹波和噪声电压的抑制措施开关电源适配器输出纹波和噪声电压的抑制措施一、在开关电源适配器输出端采用片式三端电容器与普通电解电容器组合改善滤波的高频特性。

开关电源适配器的输出端含有较大的噪声电压的峰-峰值，这是由于电解电容器在高频下的特性不完善所造成的。

因为电解电容在高频下可以用电容、电阻和电感三者的串联来等效，所以在高频下电容对噪声的旁路作用不在明显。

由于电阻和电感的存在，反而使噪声电压体现在开关电源适配器的输出端。

为了抑制开关电源适配器的输出噪声，通常有两个建议可供设计人员采用：1）将输出端的电解电容一拆为几，即将一个大容量的电解电容采用几个小容量电解电容并联来替代。

这一建议虽不能根本抑制噪声电压的产生，但用新办法所产生的信噪声电压的峰-峰值要比原来为小。

2）在电解电容旁边并联一个小容量的高频陶瓷电容器，利用高频电容在高频下所体现的低容抗，使输出噪声电压得到较大衰减（当然在印制电路板上的陶瓷电容也应该保持比较短的布线长度，保持尽可能小的线路阻抗）。

二、采用高性能的表面贴装滤波器。

采用表面贴装的高性能滤波器来改善输出电压噪声。

贴装滤波器内部电路等效为一个π型滤波线路，在开关电源适配器的输出端串上一个贴装高性能滤波器。

对比原来的输出噪声电压峰-峰值，会大幅减小，在示波器上，几乎显示为一条直线，说明输出电压的噪声已明显得到抑制，从而很好说明了表面贴装高性能滤波器在这个线路中的作用。

三、避免多个模块电源之间相互干扰。

当在同一块印制电路板上有多个模块电源一起工作，若两个模块靠得很近，模块电源本身是不屏蔽的，并且靠得很近，输出端也没有采用低阻抗的电容，而且两个模块离开实际的输出端子的距离又比较远时，则可能因为相互之间的干扰使输出噪声电压增加。

为避免这种相互干扰，可采用屏蔽措施，或将它们的安装位置适当远离，以减小相互之间的影响。

四、在开关电源适配器的输出端增加一级低压差线性稳压电路。

开关电源纹波和噪声的抑制时间：2011-06-23 1634次阅读【网友评论0条我要评论】收藏摘要：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。