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開關(guān)電源layout與紋波！

 

PCB布線與紋波關(guān)系

布局：脈沖電壓連線盡可能短，其中輸入開關(guān)管到變壓器連線，輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關(guān)管返回電容負(fù)。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關(guān)電源輸入端，輸入線應(yīng)避免與其他電路平行，應(yīng)避開。 Y電容應(yīng)放置在機(jī)殼接地端子或FG連接端。共摸電感應(yīng)與變壓器保持一定距離，以避免磁偶合。如不好處理可在共摸電感與變壓器間加一屏蔽，以上幾項(xiàng)對(duì)開關(guān)電源的EMC性能影響較大。 

輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應(yīng)靠近輸出端子，可影響電源輸出紋波指標(biāo)，兩只小容量電容并聯(lián)效果應(yīng)優(yōu)于用一只大容量電容。發(fā)熱器件要和電解電容保持一定距離，以延長整機(jī)壽命，電解電容是開關(guān)電源壽命的瓶勁，如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離，電解之間也須留出散熱空間，條件允許可將其放置在進(jìn)風(fēng)口。

總的講這三種手段都是增大pcb的電流承載能力，我覺得走線位的是縮短長度，這樣是減小板上寄生電感的有效辦法。

如果長度定了 在綜合考慮的話，搪錫 是可取的 ：搪錫對(duì)于設(shè)計(jì)者容易實(shí)現(xiàn)，只要在阻焊層上開窗就行了，不用和pcb廠商什么特殊接洽也沒有附加費(fèi)用，默認(rèn)的pcb防氧化工藝就是熱風(fēng)整平，就是噴上錫用熱風(fēng)吹一下。 搪錫的缺點(diǎn)是 裸露容易短路。

增加銅箔厚度的話 就需要使用特殊的板料，一般都是1oz的板材。如果需要加厚一般采用二次覆銅，二次銅皮強(qiáng)度低容易剝離。需要與pcb廠家說明同時(shí)可能需要增加費(fèi)用。

大面積覆銅，對(duì)于電壓變化不頻繁的網(wǎng)絡(luò)可以，比如地線，或者穩(wěn)壓輸出端，對(duì)于開關(guān)動(dòng)作中電壓波動(dòng)大的地方不適合大面積覆銅，這樣變化的電場(chǎng)回產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再產(chǎn)生電場(chǎng)。對(duì)就是電磁輻射。那就是空間干擾。同樣影響性能。

開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生

開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生

我們終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達(dá)到這個(gè)目的根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生，首先要清楚開關(guān)電源紋波的種類和產(chǎn)生原因。

上圖是開關(guān)電源中簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-buck降壓型電源。

隨著SWITCH的開關(guān)，電感L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。

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。

開關(guān)電源紋波的測(cè)量

基本要求：

使用示波器AC耦合

20MHz帶寬限制

拔掉探頭的地線

1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。

2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。

3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。

還有一點(diǎn)是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω模塊是除去DC成分，測(cè)量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。

上面是測(cè)量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測(cè)量。

在測(cè)量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz級(jí)別。其他與上述相同?？赡懿煌墓居胁煌臏y(cè)試方法。歸根到底要清楚自己的測(cè)試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可

關(guān)于示波器：

有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。

開關(guān)電源紋波的抑制

對(duì)于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：

1，加大電感和輸出電容濾波

根據(jù)開關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

上圖是開關(guān)電源電感L內(nèi)的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：

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：vripple=Imax/(Co×f)。  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：

上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制，電感不會(huì)做的很大；輸出電容增加到一定程度，對(duì)減小紋波就沒有明顯的效果了；增加開關(guān)頻率，又會(huì)增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。

關(guān)于開關(guān)電源的原理等，可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。

2，二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC濾波器

LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。(如下圖所示)

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。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。

3，開關(guān)電源輸出之后，接LDO濾波

這是減少紋波和噪聲有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本高，功耗高的辦法。

任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線，如下圖LT3024的曲線。

經(jīng)過LDO之后，開關(guān)紋波一般在10mV以下。

下圖是LDO前后的紋波對(duì)比：

對(duì)比曲線上圖的曲線和左圖的波形，可以看出對(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)減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師，簡單的可以參考美國國半公司的AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines，  (網(wǎng)上有翻譯的中文摘要)

對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感。

4，在二極管上并電容C或RC

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-100 Ω，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)。關(guān)于軟開關(guān)，有很多書專門介紹。

5，二極管后接電感（EMI濾波）

這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。比較簡單的做法，不再詳細(xì)解釋。

小結(jié)

以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波，總結(jié)的一些內(nèi)容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對(duì)一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用，重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等，選擇合適的方法。