开关电源模块的纹波和噪声分析

王 娜 赵寰宇

电源是为电子产品提供电能的装备，其性能直接影响电路的稳定性。作为2 种常用电源，线性电源和开关电源因其自身特点可应用于不同场合。线性电源具有高精度稳压特性，一般适用于对噪声和纹波要求小的音频、视频设备；开关电源具有效率高、体积小等特点，适用于小型化、简便化和高效率要求的交换、通信设备等。开关电源模块将功能电路模块化，使之高度集成，可直接焊接在电路板上，实现隔离、输出电压调节、保护等功能［1-3］。

开关电源利用三极管等半导体器件，最大限度地降低了损耗，但却在开关过程中，不可避免地引入了电源纹波和噪声［4-5］。作为开关电源的重要参数，电源纹波和噪声过大会影响产品输出精度，严重时会导致产品故障。为此，本文从纹波形成原理，示波器探头、频带选择，纹波测试方法和抑制措施等多角度进行研究和分析，为电源模块高可靠性工作提供思路。

1 纹波形成原理

以降压型电路为例，开关电源原理可以简化为图1，MOS 管在电 路 中 起开关作用［6］。当MOS 管导通时，二极管截止；当MOS 管截止时，形成泄流通路。

图1 开关电源原理简化图

如图2 所示，在MOS 管作用下，开关电源模块输出端最初产生方波，经过电感后波形变为斜三角，然后经电容器滤波作用后形成纹波，其简单的公式推导如下：

图2 纹波形成原理简化图

原始输出：U=Ldi/dt，经电感后，U/L=di/dt。式中：U 为输出电压；L 为电感量；di/dt 为电流变化率。

噪声区别于纹波，它的产生频率高，与开关电源自身拓扑结构和外界电磁干扰相关。由于纹波是在开关电源模块反复动作下产生的，所以其波动频率与MOS 管通断频率一致。

2 示波器探头和频带选择

示波器探头选择关系到探头与示波器阻抗的匹配问题，探头分为有源探头和无源探头。有源探头优点是带宽高、输入阻抗小，一般为几十kΩ，对信号无衰减，即输入与输出比为1∶1；缺点是电压耐受低、价格昂贵。无源探头带宽低、信号10∶1 衰减，使用TEK 示波器时不能自动实现阻抗匹配，需设置示波器输入电阻为1 MΩ；缺点是对空间干扰的敏感度较高。

测试电源模块纹波和噪声时，示波器带宽一般选择20 MHz，不同带宽下测试结果差异较大。以一款5 V 转5 V 应用于通信供电的全新电源模块为例，分别在示波器全带宽500 MHz 和20 MHz 下进行满载测试，测试结果见图3。从图3 可以看出，示波器带宽为500 MHz 时，外界噪声干扰多，所测纹波和噪声峰峰值达312 mV，结果不可靠；示波器带宽为20 MHz 时，测试纹波和噪声峰峰值为20 mV，符合数据手册指标要求，测试结果可靠。

3 纹波和噪声测试方法

为了减小测试过程中外界的噪声干扰，提高测试精度和可靠性，电源模块纹波和噪声测试有同轴电缆测试、双绞线测试、平行线测试和靠接法测试等［7-8］。本文以靠接法测试为例，详细说明测试过程及注意事项。

测试设备见表1，连接电路见图4。为了过滤噪声，在负载端并接10 uF 的钽电容和0.1 uF 的陶瓷电容。选取输入电压标称值，依次在空载、半载和满载条件下，测试叠加在直流输出端的纹波和噪声。

1）区别于测试电源模块的开关冲击、过欠压等时选用示波器的直流挡位，测试纹波和噪声前需设置示波器为交流挡位。

2） 依据开关管的上升时间，设置带宽为20 MHz，以减少外界噪声和电磁干扰。

3） 示波器探头直接采集电源模块输出管脚，可选择用探头的接地弹簧针代替探头地线，以减少探头地线与探针所形成的环路干扰，避免电磁噪声干扰测试信号。

4）为过滤噪声，负载输出端并接电容一般选取ESR 低的10 uF 电解电容器。

5）供电电源限流点设置需满足负载的可调性，避免测试过程中电源模块无输出电压等特性。

6）测试纹波和噪声时，电子负载设置需在恒流模式下进行负载调节。

图3 不同带宽下纹波和噪声波形

表1 电源模块测试设备

图4 电源模块测试电路

4 测试结果

标称输入电压下，24 V 转5 V 的DC-DC 电源模块在空载、半载和满载时的纹波和噪声测试结果，如图5 所示。示波器显示的均方根和峰峰值分别代表纹波和噪声。可以看出，空载时，输出纹波和噪声分别为1.23 mV 和6.80 mV，几乎可以忽略不计； 半载时， 输出纹波和噪声分别是2.53 mV 和12.0 mV；随着负载的增加，纹波和噪声也逐渐增加，直至满载时，纹波和噪声分别为3.28 mV 和15.2 mV，已达到空载时的3 倍，此时负载对电源模块的输出纹波和噪声影响较大。另外，通过调节输入电压在全范围9～36 V 内变化，得出输入电压的改变对输出纹波和噪声几乎没有影响。

5 纹波和噪声抑制方法

依据纹波形成原理，当开关电源模块纹波偏大时，可从以下方面进行改进。

1）增大滤波电容，使纹波平滑。不同频段的纹波和噪声选用不同的滤波器件。如果频率小于100 kHz，选用低频铝电解电容器或钽电容器抑制纹波；如果频率大于100 kHz，选用高频陶瓷电容器抑制纹波。

2）增大电感，以抑制电流突变。当电感无限增大时，虽然改善了电源模块纹波和噪声等稳态特性，但同时也造成了电源不稳定、负载波动等瞬态特性问题，所以一般对于由变压器和导线构成的共模电感，采用耦合电感，以通过电流变化监测来调整电感值变化。

3）通过增大开关频率来改善纹波。理想的方波上升沿上升时间和下降沿下降时间是趋于无穷小，而实际却存在上升和下降时间，会使信号波形能量不足，形成纹波。所以改善纹波需要减小方波上升沿的边沿能量，缩短边沿爬升时间。但又会带来新问题，即伴随MOS 管工作次数增加，其功耗增加，导致效率降低。所以开关频率需结合效率和纹波综合分析后做出判断。

4）优化PCB 布局，抑制开关电源模块的纹波和噪声。有条件时增大地平面面积，以便减小电压纹波；电感器尽可能靠近芯片管脚，以降低噪声；尽可能减小敏感信号的地线长度，减少回流面积，降低干扰。

除了上述纹波和噪声的问题外，开关电源模块还存在以下问题需要注意：①电流冲击大，与芯片负载无关，与电容值和边沿爬升速度有关，所以为了减小电流冲击，一般可从降低电容值和减缓边沿爬升速度两方面采取措施；②在选型时，选择通流量大的电感器；③控制测试线缆长度，若过长，会导致电感感值增大，电感和电容的谐振峰发生偏移，产生过大噪声；④波纹和噪声一般出现在电源轻负载时，由频率谐振引起电容机械振动，可通过点胶或波峰焊前刷锡膏，或采用柔性端子等方式改善。

图5 不同负载下纹波和噪声波形

6 结论

1） 纹波和噪声的产生主要与开关电源内部MOS 管的开关时间、频率及外界电磁干扰相关。

2） 依据开关管的上升时间（约100 ns），测试过程中示波器带宽选择20 MHz，并且采用靠接法测试简单方便，结果可靠性更高；负载波动对开关电源模块的输出纹波和噪声影响较大。

3） 可从滤波电容、耦合电感、开关频率和PCB 布局等方面改善纹波和噪声。

此外，本文还总结了测试过程中电源模块存在的其他问题，并给出相应的解决方案，为电源模块的设计、测试和维修等工作提供参考。