在應(yīng)用電源模塊常見的問題中，降低負載端的紋波噪聲是大多數(shù)用戶都關(guān)心的。那么模塊的紋波噪聲該如何降低？下文為大家從紋波噪聲的波形、測試方式、模塊設(shè)計及應(yīng)用的角度出發(fā)，闡述幾種有效降低輸出紋波噪聲的方法。
一、電源的紋波與噪聲介紹
紋波和噪聲即：直流電源輸出上疊加的與電源開關(guān)頻率同頻的波動為紋波，高頻雜音為噪聲。具體如圖1所示，頻率較低且有規(guī)律的波動為紋波，尖峰部分為噪聲。
圖1
二、紋波噪聲的測試方法
對于中小微功率模塊電源的紋波噪聲測試，業(yè)內(nèi)主要采用平行線測試法和靠接法兩種。其中，平行線測試法用于引腳間距相對較大的產(chǎn)品，靠測法用于模塊引腳間距小的產(chǎn)品。
但不管用平行線測試法還是靠測法，都需要限制示波器的帶寬為20MHz。具體如圖2和圖3所示。
圖2 平行線測試法
注1：C1為高頻電容，容量為1μF；C2為鉭電容，容量為10μF。
注2：兩平行銅箔帶之間的距離為2.5mm，兩平行銅箔帶的電壓降之和應(yīng)小于輸出電壓的2%。
圖3靠測法
三、去除地線夾測試的區(qū)別
測試紋波噪聲需要把地線夾去掉，主要是由于示波器的地線夾會吸收各種高頻噪聲，不能真實反映電源的輸出紋波噪聲，影響測量結(jié)果。下面的圖4和圖5分別展示了對同一個產(chǎn)品，使用地線夾及取下地線夾測試的巨大差異。
圖4 使用地線夾測試-示波器垂直分辨率200mv/div
圖5 去除地線夾測試-示波器垂直分辨率50mv/div
四、設(shè)計上PCB布局的影響
好與壞的PCB布局，是設(shè)計上影響紋波噪聲的關(guān)鍵因素。差的PCB布局如圖6所示，變壓器輸出的地，直接通過過孔連到背部的地平面，地平面連接電源的輸出引腳。此布局在輸出5V/2A的負載下，實測電源尖峰達1.5V VP-P。變壓器上的噪聲沒有經(jīng)過輸出的濾波電容直接通過了輸出引腳，導(dǎo)致紋波噪聲很大。
圖6 差的PCB布局
如圖7 所示是比較好的PCB布局，調(diào)整了變壓器的位置，將變壓器輸出地通過兩個電容后，再回到地平面和輸出引腳相連。實測在相同5V/2A輸出的負載下，噪聲已降到60mV VP-P，差別顯著。
圖7 好的PCB布局
五、輸出濾波電容的影響
輸出濾波電容的容值、ESR對模塊輸出的紋波噪聲也有直接影響。按圖8所示的P0505FLS-1W測試紋波噪聲。
外部不加外接電容，測試輸出的紋波噪聲，如圖9所示，約為52mV。同樣的輸入、負載條件下，電源的輸出端放置MLCC，實測電源輸出的紋波噪聲降到不到36mV。
圖8測試用圖
圖9 無外接電容
圖10 外加電容
實際應(yīng)用時，電容除容量、ESR外，建議負載端的電容在回到電源之前，先匯集到輸出電容，經(jīng)過電容濾波后，再回到電源，從而有效降低紋波噪聲對電路的影響。如圖11所示。
圖11 外部電容的位置
六、電感對紋波噪聲的影響
電感的感量及寄生電容對紋波噪聲的影響同樣顯著。一般地，感量大時對紋波抑制作用明顯，寄生電容小的電感對噪聲抑制效果好。以對紋波抑制為例，測試對電源輸出紋波的影響，測試圖如圖12所示。
圖12 測試電感濾波效果用例
根據(jù)圖12，我們先人為的把產(chǎn)品內(nèi)部的濾波電感短路，只用電容濾波，測得紋波噪聲如圖13所示，紋波峰峰值約50mV。
圖13人為短路內(nèi)部濾波電感的紋波噪聲圖
下一步，在電源外部增加一個LC電路，在相同輸入、負載條件下，重測紋波噪聲圖，如圖14所示，紋波已接近直線，非常小。
圖14 外加LC的紋波噪聲圖
七、非紋波的震蕩處理
前面介紹了紋波是與開關(guān)電源的工作頻率相關(guān)，但是還有另外一種震蕩是與負載的工作頻率相關(guān)的，如圖15所示。
圖15 負載工作周期大約1.1s
DC-DC電源模塊給MCU、晶振、WiFi模塊等電路同時供電，WIFI模塊會繼續(xù)周期性的掃描，掃描開啟時，電源模塊電流會增加，使得模塊輸出電壓瞬間會有一個下降；同理掃描關(guān)斷時，模塊輸出電壓會上升突變。
這種模塊輸出電壓的突變，并不是產(chǎn)品本身的紋波噪聲，而是由于負載電流的突變，釋放了電容電壓。減小這類紋波的最好辦法，是在負載前段增加π濾波器。
以上簡單從紋波噪聲的圖例、測試方法開始，描述從電源設(shè)計、外部電路應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合實際測試比較幾種降低紋波噪聲的方法。實際的工程應(yīng)用中還需考慮電容、電感的負載效應(yīng)、自激影響等，需再做深究。
如果在電源模塊選型中，選用低紋波噪聲的電源模塊，可省去外圍電路的搭建。致遠電子自主研發(fā)、生產(chǎn)的隔離電源模塊已有近20年的行業(yè)積累，打造自主電源IC，推出P系列全工況優(yōu)選型DC-DC電源，結(jié)合合理的PCB設(shè)計以及測試規(guī)范，較傳統(tǒng)設(shè)計，紋波噪聲低至50mV，為用戶打造高可靠性供電環(huán)境。并且模塊滿載效率高達85%，輕載效率仍高至79%，保證全工況高效供電，有效降低電源溫升，最大程度保證用戶產(chǎn)品的可靠性，是板級直流供電的理想解決方案。