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隨著開關(guān)頻率和開關(guān)速度的增加，有必要采取有效的措施來保證開關(guān)電源輸入輸出紋波的精確測量。現(xiàn)在還沒有測試DC/DC變換器紋波和噪聲的工業(yè)標準，測試結(jié)構(gòu)和方法的不同會導(dǎo)致嚴重的錯誤或混淆。文中描述的技術(shù)不需要特別的實驗器材只需要高頻電壓探頭和示波器，可提供有復(fù)驗性的結(jié)果。輸入輸出紋波和噪聲的精確測量固然重要，但有效的抑制尤為重要，本文分析了開關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分和利用鐵氧體磁珠抑制紋波和噪聲的效果。
1. 紋波和噪聲
SMPS的輸出噪聲可分為紋波和噪聲。紋波就是開關(guān)電源充放電時輸出電壓的波動；噪聲就是發(fā)生在基頻平均值的尖峰，通常稱為RMS噪聲。紋波電壓波形描述了輸入輸出電容器的充放電的結(jié)果，在最大負載時是極大的。
高頻噪聲尖峰出現(xiàn)在SMPS的開通和關(guān)斷時刻，如圖1，這個可由示波器準確的測試到。 盡管噪聲的重復(fù)頻率SMPS的開關(guān)頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峰高于開關(guān)頻率；幅值的大小由SMPS的拓撲、寄生電流和PCB走線決定，盡管出現(xiàn)在高頻，但噪聲尖峰極易受探頭和實驗結(jié)構(gòu)影響。
2. 紋波和噪聲的測試
紋波和噪聲通常出現(xiàn)在DC/DC變換器的輸入和輸出，總噪聲包含紋波和噪聲。測試時首先應(yīng)確保示波器獲取極少的高頻成分，由于高頻成分可由示波器探頭地形成的地線環(huán)放大，這就意味著示波器探頭極短的地線可能在不正確的路線或停止時導(dǎo)致數(shù)百毫伏的噪聲尖峰。
通常人們直接將示波器探頭的地線夾夾在開關(guān)電源的地線上，另一端直接接在正電壓端，這是一種不正確的方法，因為探頭的地線夾獲取了輻射噪聲。通常最大的錯誤源就來自探頭的地線夾，主要是由示波器探頭沒有屏蔽的部分引起的。信號線端子和示波器探頭夾地線構(gòu)成的線路環(huán)就像天線一樣在工作。地線環(huán)的磁輻射導(dǎo)致電壓曲線出現(xiàn)噪聲，地線環(huán)的面積越大，開關(guān)過程中獲取的噪聲就越大。
為減小測量誤差，探頭應(yīng)該直接放在輸出電容兩端。這樣信號和地相連處的地線環(huán)面積就很小了。正確的操作如下：
1.去掉示波器探頭的地線夾和探頭夾適配器，提供金屬地的直接連接通道。
2.把示波器的探頭線在較大直徑（20AWG）的鍍錫銅線上卷繞若干圈，把錫銅線的終端焊接到輸出電容的地線端。
3.示波器探頭的尖端連接到輸出端的輸出電容上。
圖2 為兩種不同測試方法得到的輸出電壓曲線。降壓型變換電路工作在1.5MHz，輸出電壓1.8V，負載電流250mA。可以注意到綠色曲線（2）為在每一個開關(guān)時刻出現(xiàn)的高頻噪聲。而紅色的曲線（3）為沒有獲取噪聲。因此，結(jié)構(gòu)和方法對準確測量是很重要的。
3. 紋波和噪聲的抑制
眾所周知，開關(guān)電源的輸入紋波和噪聲，如果不濾波，有時足以干擾其它裝置。因此，有必要采取適當?shù)姆椒▉硪种七@些紋波和噪聲，減少對整個電路的影響。要想有效的抑制開關(guān)電源的紋波和噪聲，首先就應(yīng)該知道開關(guān)電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。
3.1 基頻開關(guān)輸入紋波
對于一個Buck變換器，輸出電感在開關(guān)周期開通期間連接到輸入，而在關(guān)斷期間與輸入斷開。當輸入電容器電流沒有直流成分時，電源和輸出電感電流在整個開關(guān)周期基本是恒定的（忽略電感紋波電流）。直流輸入電壓穩(wěn)定時，輸入電容器在開關(guān)導(dǎo)通期間的充電量（I*t）必須等于電容器在開關(guān)關(guān)斷期間的放電量。
圖3（圖3在下面）為輸入電容器的紋波電壓和電流的波形，公式1則描述了電壓紋波的鋸齒特性。紋波的大小隨輸入電壓波動，在占空比為50%時最大。為減少輸入紋波，要么增加電容量，要么減少輸入電容CIN的等效串聯(lián)電阻（ESR）。陶瓷電容器通常具有非常低的ESR，但對輸入電壓紋波影響不大。一個0805封裝10μF 10V X5R電容器在直流3.6V應(yīng)用中，實際容量約為4.2μF。對于1.8V 400mA的輸出負載，輸入波紋電壓的峰值為17.4mV（見公式1）。
另外，計算輸入電容量時需要給定輸入電容的ESR和紋波要求。
3.2 高頻噪聲
在便攜式應(yīng)用中，直流變換器的高頻輸入噪聲通常可達100MHz以上。“噪聲”其實是一個甚高頻振鈴或變換器電源部分的寄生振蕩。在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中，能量儲存在感性和容性的寄生振蕩中直到消失。在每個周期內(nèi)，噪聲都會出現(xiàn)在開關(guān)波形的邊緣，盡管噪聲頻率非常高，但僅用一個典型的旁路電容器是不能使其衰減的。陶瓷電容器的阻抗頻率特性曲線，如圖4所示。當在100MHz或以上時，不論電容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。因此，在Buck電路的輸入電容上并聯(lián)一個較小值的陶瓷電容器并不能有效地減少這種高頻噪聲。
由于陶瓷電容器在出現(xiàn)噪聲的頻段內(nèi)呈感性，因此需要一些用于衰減的元件。在大多數(shù)情況下，這些元件僅會在PCB印制板的走線上產(chǎn)生阻抗。在62mil FR4電路板上50mil寬2盎司銅走線的阻抗典型值每英寸約為11nH。容量為1μf、封裝為0603的陶瓷電容器的典型感抗約為0.5nH。在100MHz高頻輸入噪聲時，這相當于21dB或減少1/12x。在實際應(yīng)用中總是期望能得到更多的衰減，但噪聲頻率決定了L/R網(wǎng)絡(luò)的衰減量。加鐵氧體雖可增加高頻阻抗，但可使直流損耗降到最小。
3.3 鐵氧體對紋波和噪聲減少
如果電路板走線的阻抗不足以作為阻性元件構(gòu)成低通濾波器，可用一個小鐵氧體磁珠來增加阻抗，改善對噪聲的抑制。使用鐵氧體磁珠可以把輸入紋波衰減近似為鋸齒波，并可把它降低為基頻成分。利用鐵氧體磁珠的直流阻抗（Rb）和濾波電容 （Cf）可以確定轉(zhuǎn)折頻率和在相應(yīng)開關(guān)頻率下的紋波衰減。鐵氧體磁珠抑制紋波的典型電路（如圖5）及相應(yīng)的計算方法如下：
高頻噪聲的衰減要求測試在輸入高頻噪聲的共振頻率下鐵氧體磁珠的阻抗。通常高頻噪聲出現(xiàn)在約400MHz時，而圖7中在400MHz下鐵氧體磁珠的阻抗約140Ω。從圖4可知，濾波電容器在400MHz時相應(yīng)的阻抗約為1Ω并且呈感性。這樣，利用該網(wǎng)絡(luò)就可以大概計算出在400MHz時的衰減，等效模擬電路如圖6所示。
為一個貼片封裝的鐵氧體磁珠的典型阻抗頻率特性。鐵氧體磁珠有一個很小的直流阻抗，使它通過直流電流對系統(tǒng)的效率有很小的影響。它還在變換器出現(xiàn)高頻噪聲的頻帶內(nèi)擁有很大的阻抗。從曲線中可以看出，頻率在200MHz以上時阻抗大于100Ω。在應(yīng)用了鐵氧體磁珠的例子中，有500mA的額定電流和0.3Ω的直流阻抗，這就使附加器件的損耗可以降到最低。
4. 結(jié)論
當降壓型變換器與其它電路擁有共同的輸入電壓時，降壓型變換器的輸入噪聲完全可以干擾其它裝置。簡單濾波方式可以用來降低輸入噪聲，改善電路的特性。在大多數(shù)情況下，共同輸入電壓的電路用陶瓷電容器就可以了，而在變換器輸入與其他電路輸入源之間連接鐵氧體磁珠可以進一步衰減輸入噪聲。
