降低电源纹波噪声的方法与实例
【导读】在应用电源模块常见的问题中，降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。下文结合纹波噪声的波形、测试方式，从电源设计及外围电路的角度出发，阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。
纹波噪声的测试方法
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试，业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中，平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品，靠测法用于模块引脚间距小的产品。但不管用平行线测试法还是靠测法，都需要限制示波器的带宽为20MHz。
具体如图1和图2所示。
图1 平行线测试法
注1：C1为高频电容，容量为1μF；C2为钽电容，容量为10μF。
注2：两平行铜箔带之间的距离为2.5mm，两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。
图2 靠接测试法
去除地线夹测试的区别
测试纹波噪声需要把地线夹去掉，主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声，不能真实反映电源的输出纹波噪声，影响测量结果。下面的图3和图4分别展示了对同一个产品，使用地线夹及取下地线夹测试的巨大差异。
图3 使用地线夹测试-示波器垂直分辨率200mv/div
图4 去除地线夹测试-示波器垂直分辨率50mv/div
输出滤波电容的影响
输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。对比同一个产品在外围是否增加电容对纹波噪声影响。不加外接电容时，测试输出的纹波噪声，如图5所示，约为100mV。同样的输入、负载条件下，电源的输出端加226的MLCC，实测电源输出的纹波噪声降到不到40mV。
图5 无外接电容
图6 外加226电容
实际应用时，电容除容量、ESR外，建议负载端的电容在回到电源之前，先汇集到输出电容，经过电容滤波后，再回到电源，从而有效降低纹波噪声对电路的影响。
电感对纹波噪声的影响
电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地，感量大时对纹波抑制作用明显，寄生电容小的电感对噪声抑制效果好。以对纹波抑制为例，测试对电源输出纹波的影响，我们先人为的把产品内部的滤波电感短路，只用电容滤波，测得纹波噪声如图7所示，纹波峰峰值约50mV。
图7 人为短路内部滤波电感的纹波噪声图
下一步，在电源外部增加一个LC电路，在相同输入、负载条件下，重测纹波噪声图，如图8所示，纹波已接近直线，非常小。
图8 外加LC的纹波噪声图
非纹波的震荡处理
前面介绍了纹波是与开关电源的工作频率相关，但是还有另外一种震荡是与负载的工作频率相关的，如图9所示。
图9 负载工作周期大约1.1s
DC-DC电源模块给MCU、晶振、WiFi模块、4G/5G模块等电路同时供电，WIFI模块会继续周期性的扫描，扫描开启时，电源模块电流会增加，使得模块输出电压瞬间会有一个下降；同理扫描关断时，模块输出电压会上升突变。
这种模块输出电压的突变，并不是产品本身的纹波噪声，而是由于负载电流的突变，释放了电容电压。减小这类纹波的最好办法，是在负载前端增加π滤波器或大电容。
在4G/5G模块正常工作时会有2~3A的瞬态负载电流，可以在4G/5G模块前端增加大电容减小供电电压的纹波。
选择产品型号时，可以特别关注产品的瞬态性能。如下图所示，E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列产品的瞬态性能指标。负载50%~75%阶跃变化时，输出电压波动为±5%，可以通过增加输出滤波电容，减小输出电压的波动。
图10 瞬态性能指标
E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列产品输出纹波噪声的典型值为50mV，输出电压小，输出纹波值也越小。
小结
以上简单从纹波噪声的图例、测试方法开始，描述从电源设计、外部电路应用出发，结合实际测试比较几种降低纹波噪声的方法。实际的工程应用中还需考虑电容、电感的负载效应、自激影响等，需再做深究。
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