開關電源電路紋波的抑制方法

張 倩，韓 慧，王 柯

（中國重汽集團技術發展中心汽車電子設計部，山東 濟南 250101）

對于電子產品來說，唯一不可缺少的是電源。電源是向電子設備提供功率的裝置，其性能的優劣將直接影響到設備的工作性能和使用壽命。目前常用的直流穩壓電源包括線性電源和開關電源。其中，線性電源輸出穩定，自身的干擾和噪聲都很小，但是由于工作頻率較低 （一般在35%左右），內部功率調整管總是工作在放大狀態，發熱量大，而且整體體積大，對輸入電壓范圍要求高。

開關電源相對于線性電源來說，結構簡單，成本低，其內部關鍵功率器件工作在高頻開關狀態，在電壓調整時能量是通過電感線圈來臨時儲存的，損耗很小，因此效率高 （可達90%以上），在很多場合已經替代了線性電源，成為電源發展的趨勢。但是，隨著功率器件高頻開關的作用，在輸出端也會出現一個與高頻開關同頻率的紋波，使得電壓電流調整率有了一定的折扣，這是開關電源最大的弊端。因此，如何把輸出紋波降低到可以忍受的程度，成為保證開關電源電路可靠性的首要任務。

1 紋波的產生和危害

紋波就是疊加在直流電壓中的交流分量。直流電壓本來應該是一個固定的值，但是很多時候是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不干凈，就會有剩余的交流成分，連接示波器，就會看到這個圍繞直流輸出電壓上下來回波動的周期性信號，就像水紋一樣，顧名思義叫做紋波。紋波是一種復雜的雜波信號，它的周期和振幅不是定值，隨時間而變。不同電源的紋波波形不同，同樣的電源，在不同的環境中，紋波也會有差別。

對于開關電源，輸出紋波是有規律的，這是由于電流流過輸出電容，在電容的等效串聯電阻 （ESR）上所引起的壓降，開關電源中不斷有脈動的電流流經電容，所以它的紋波等于開關頻率。

紋波的危害有很多，例如紋波電壓高了，有可能使電子產品產生諧波、調制等，干擾正常的工作狀態；降低電源的效率；影響數字電路的邏輯關系，影響正常工作。較強的紋波會導致浪涌電壓或電流的產生，導致用電器燒毀。

一般實驗中，采用示波器的AC耦合，就可以比較準確地測量紋波，具體方法如下。

1）接通示波器開關，選取測試通道。

2）電壓探頭一端連接示波器選取的通道上，另一端連接到待測電源芯片的輸出端。

3）按下選取通道的菜單鍵，在屏幕下方從左往右依次選擇交流 （AC）耦合；20 MHz帶寬。

4）通過調節示波器觸發時間，找到合適的紋波波形。

5）點擊光標測量，讀取紋波電壓值。

2 降低輸出紋波的方法

由于紋波是脈動電流流過輸出電容，在電容的ESR上引起的壓降，所以，如果要降低紋波電壓，可以優先考慮降低電容的ESR。實際應用中，可以選用低ESR的輸出電容，或者多個電容并聯來降低ESR，例如采用鋁電解電容并聯低ESR的陶瓷電容。

通常情況下，降低輸出電容的ESR，但紋波電壓仍然改善不大，就只能通過PCB布板和走線來解決。通常情況下，PCB布板和走線遵循以下原則。

1）按電路模塊進行布局，實現同一功能的相關電路稱為一個模塊，電路模塊中的元件應采用就近集中原則，同時數字電路和模擬電路分開。

2）定位孔、固定孔、固定螺釘周圍一定距離內不得貼裝元件。

3）元器件下方避免布置過孔，防止焊接時過孔與元件殼體短路；貼片焊盤上不能有過孔，防止焊接時焊錫流失，造成元件虛焊。

4）元件金屬殼體和金屬件不能與其他元件接觸，不能緊貼印制線、焊盤。

5）發熱元件不能緊鄰導線和熱敏元件，高熱器件要均勻分布，且焊盤下面增加散熱過孔或者搭鐵面積，保證散熱。

6）對一些高頻信號線，進行布線時，應注意輸入輸出邊線避免平行，防止產生反射干擾，必要時加搭鐵線隔離。

7）電源線與搭鐵線應盡可能呈放射狀，信號線注意盡量不要形成環路，以免環路干擾。

對于開關電源電路來講，PCB布板在遵循常規原則的基礎上，設計更加講究，可以說好與壞的PCB布局，是影響紋波的關鍵因素。本文應用一個實際開關電源電路PCB改善設計，來闡述PCB布板對于降低紋波有重要影響。

本設計應用MPS公司MPQ4560汽車級集成高頻開關電源管理芯片，其功能模塊圖如圖1所示。輸入電壓范圍3.8～55 V，最大負載電流2 A，內部開關采用功率級N-MOSFET場效應管，具備負載調節和超過95%的高效率，開關頻率1 MHz，保證了電壓調整器的瞬態響應。

圖1 MPQ4560功能模塊圖

本設計中，應用此芯片設計的車載24 V轉5 V開關電源電路，如圖2所示。

圖2 本設計開關電源電路圖

電路主要由供電輸入、開關控制、反饋調節組成。供電輸入部分使用芯片VIN引腳，外部24V穩壓輸入，給芯片所有內部控制電路，包括電壓調節器和高邊MOSFET開關。同時，使用2個較低ESR值的旁路陶瓷電容C2、C3并聯鋁電解電容C1，既利用了鋁電解電容容量大的特性，也彌補了鋁電解電容抑制高頻噪聲和ESR方面的不足，更好地滿足對輸入電壓的濾波；開關控制部分使用芯片SW引腳，由內部功率級N-MOSFET輸出，外接電感L1、輸出電容C5、穩壓二極管D1，當芯片內部N-MOSFET導通時，VIN通過電感L1提供VOUT，給負載供電，此時電感L1兩端保持左正右負的正電壓；當MOSFET斷開時，電感L1通過本身自感，與電容C5、穩壓二極管D1構成電流回路，繼續向負載提供VOUT，同時，SW與BST之間需要連接旁路電容C4；反饋調節部分由外部分壓電阻R2和R3根據公式計算，確定輸出電壓VOUT為5 V。

本設計電路PCB布板如圖3所示。

圖3 PCB布板

針對此電路，在PCB布板時，設計要點如下：① 實現同一功能的模塊電路，就近集中放置，且盡量靠近芯片相關引腳；同一模塊之間的連接，盡量采用大的敷銅連接，增強散熱性能，使芯片引腳盡快冷卻，保證使用可靠性。② 供電輸入模塊中，濾波電容平行排列，靠近VIN引腳，可以增加濾波效果，減少EMI（電磁干擾）。③ 開關控制電路中，輸出電容C5、穩壓二極管D1與芯片搭鐵直接敷銅連接，PCB頂層空間有限的話，采用底層大面積敷銅，使搭鐵相連。④為了降低輸出電壓ESR，在輸出電容C5旁邊，并聯陶瓷電容C6。⑤ 反饋調節元件R3和R4盡可能靠近FB引腳，連接線路盡量短和直接，反饋線路要盡量遠離感性元件 （電感L1），避免干擾，電路中將反饋線路選擇走PCB底層。同時，開關控制電路為高頻電路，反饋輸出的走線也要遠離SW。

3 紋波測試結果

按照上述設計PCB布板，外部24 V穩壓輸入，用示波器對輸出紋波進行測量，結果如圖4所示。

圖4 紋波測試結果

如圖4所示，VOUT輸出電壓紋波為10 mV，相比較前期未按照上述方法設計的PCB布板，紋波單邊幅值已達到50 mV左右，紋波已經大大降低。

因此，對于開關電源電路，合理的PCB布板設計，確實可以大大降低輸出電壓紋波。