开关电源纹波产生机理与有效解决方案

开关电源的纹波问题，可以说是电源设计中最令人头痛、却又无法回避的“老难题”。许多工程师在调试过程中，都曾被输出端的“毛刺”和“波动”困扰到怀疑人生。今天就来彻底梳理这个问题的来龙去脉以及应对策略，希望能给正在与纹波较劲的朋友带来一些切实可行的启发。

先来看纹波究竟是如何产生的。常规AC/DC开关电源的工作流程大致如下：先将电网的交流电整流为直流，再通过高频开关变换，借助变压器实现隔离、升压或降压，最后经过高频二极管整流和滤波，输出稳定的直流电。在此过程中，输出纹波主要源自五个“捣乱分子”：输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引发的共模纹波噪声、功率器件开关时产生的超高频谐振噪声，以及闭环调节控制引起的纹波噪声。

低频纹波

低频纹波的存在，本质上与输出滤波电容的容量直接相关。受限于开关电源的体积，电解电容的容量无法无限扩大，导致低频纹波难以彻底消除。低频纹波的频率取决于整流电路的形式，通常与输入交流电源频率的2倍一致。举例来说，普通24V电源中，电压型控制DC/DC变换器的纹波抑制比大约在45～50dB之间，输出端的低频交流纹波有效值可能在60～120mV。虽然电流型控制的纹波抑制比会稍好一些，但低频纹波依然不容忽视。要想降低低频纹波，可行的方法包括：前级预稳压、增大DC/DC变换器的闭环增益，或者在输出端增加专门的滤波措施。

高频纹波

高频纹波噪声的来源非常直接——高频功率开关变换电路本身。功率器件对输入直流电压进行高频开关变换，之后整流滤波再稳压输出，这个过程自然会在输出端留下与开关工作频率相同的高频纹波。它对负载影响的大小，主要取决于开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数。从设计优化角度看，提高功率变换器的工作频率，可以有效降低对高频开关纹波的滤波要求。

共模纹波噪声

这个因素比较隐蔽。功率器件与散热器底板之间、变压器原副边之间，都存在寄生电容；导线也有寄生电感。当矩形波电压作用于功率器件时，这些寄生参数就会“兴风作浪”，在输出端产生共模纹波噪声。对付它的手段也很明确：减小并控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，同时在输出侧加装共模抑制电感和电容。

超高频谐振噪声

超高频谐振噪声的来源，一是高频整流二极管反向恢复时二极管结电容的谐振，二是功率器件开关时结电容与线路寄生电感的谐振，频率通常在1～10MHz。解决思路包括：选用软恢复特性的二极管、结电容小的开关管，以及尽量缩短布线长度——细节决定成败。

闭环调节控制引起的纹波噪声

这一点常被忽视。开关电源都需要对输出电压进行闭环控制，如果调节器的参数设计不当，就会引发问题。当输出端出现波动时，波动通过反馈网络进入调节器回路，可能引起调节器的自激振荡，从而产生附加纹波。这种纹波的特点是通常没有固定频率，查找起来比较费劲。

既然搞清楚了纹波的“出身”，接下来聊聊具体的抑制策略。

低频纹波的抑制

方法虽然常规，但非常实用：

a、加大输出低频滤波的电感和电容参数，直接降低低频纹波到目标值；

b、采用前馈控制方法，可以有效降低低频纹波分量。

高频纹波的抑制

核心思路是为高频纹波提供“泄洪通道”：

a、提高开关电源的工作频率，使高频纹波频率升高，有利于后续滤波；

b、加大输出高频滤波器的容量；

c、采用多级滤波结构。

共模纹波噪声的抑制

常见做法有：

a、输出侧采用专门设计的EMI滤波器；

b、想办法降低开关毛刺的幅度。

闭环调节器参数不当引起的纹波抑制

这部分往往需要调试经验和耐心：

a、在调节器输出端增加对地的补偿网络，抑制调节器自激引发的纹波增大；

b、合理选择闭环调节器的开环放大倍数和参数——开环放大倍数过大容易引发振荡，过小则会降低输出电压稳定性并增加纹波，需要根据实际负载工况仔细调整；

c、在反馈通道中尽量避免引入纯滞后滤波环节，尽可能降低延时滞后，提高闭环调节的快速性和及时性，这对抑制输出纹波非常有益。

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