轉自：http://ledlight.eefocus.com/module/forum/forum.phpmod=viewthread&tid=597184
摘 要
隨着開關頻率和開關速度的增加，有必要採取有效的措施來保證開關電源輸入輸出紋波的精確測量。現在還沒有測試DC/DC變換器紋波和噪聲的工業標準，測試結構和方法的不同會導致嚴重的錯誤或混淆。文中描述的技術不需要特別的實驗器材只需要高頻電壓探頭和示波器，可提供有複驗性的結果。輸入輸出紋波和噪聲的精確測量固然重要，但有效的抑制尤爲重要，本文分析了開關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。
SMPS的輸出噪聲可分爲紋波和噪聲。紋波就是開關電源充放電時輸出電壓的波動；噪聲就是發生在基頻平均值的尖峯，通常稱爲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果，在最大負載時是極大的。
高頻噪聲尖峯出現在SMPS的開通和關斷時刻，如圖1，這個可由示波器準確的測試到。 儘管噪聲的重複頻率SMPS的開關頻率決定，但通常此頻率包含的噪聲尖峯高於開關頻率；幅值的大小由SMPS的拓撲、寄生電流和PCB走線決定，儘管出現在高頻，但噪聲尖峯極易受探頭和實驗結構影響。
2. 紋波和噪聲的測試
紋波和噪聲通常出現在DC/DC變換器的輸入和輸出，總噪聲包含紋波和噪聲。測試時首先應確保示波器獲取極少的高頻成分，由於高頻成分可由示波器探頭地形成的地線環放大，這就意味着示波器探頭極短的地線可能在不正確的路線或停止時導致數百毫伏的噪聲尖峯。
通常人們直接將示波器探頭的地線夾夾在開關電源的地線上，另一端直接接在正電壓端，這是一種不正確的方法，因爲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成的線路環就像天線一樣在工作。地線環的磁輻射導致電壓曲線出現噪聲，地線環的面積越大，開關過程中獲取的噪聲就越大。
爲減小測量誤差，探頭應該直接放在輸出電容兩端。這樣信號和地相連處的地線環面積就很小了。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 爲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）爲在每一個開關時刻出現的高頻噪聲。而紅色的曲線（3）爲沒有獲取噪聲。因此，結構和方法對準確測量是很重要的。
3. 紋波和噪聲的抑制
衆所周知，開關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，有必要採取適當的方法來抑制這些紋波和噪聲，減少對整個電路的影響。要想有效的抑制開關電源的紋波和噪聲，首先就應該知道開關電源紋波和噪聲的組成成分，及哪些成分需要抑制。
對於一個Buck變換器，輸出電感在開關週期開通期間連接到輸入，而在關斷期間與輸入斷開。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週期基本是恆定的（忽略電感紋波電流）。直流輸入電壓穩定時，輸入電容器在開關導通期間的充電量(I*t)必須等於電容器在開關關斷期間的放電量。
圖3（圖3在下面）爲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，在佔空比爲50%時最大。爲減少輸入紋波，要麼增加電容量，要麼減少輸入電容CIN的等效串聯電阻（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應用中，實際容量約爲4.2μF。對於1.8V 400mA的輸出負載，輸入波紋電壓的峯值爲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。
在便攜式應用中，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盪。在開關轉換過程中，能量儲存在感性和容性的寄生振盪中直到消失。在每個週期內，噪聲都會出現在開關波形的邊緣，儘管噪聲頻率非常高，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，阻抗都呈感性並且很相似。因此，在Buck電路的輸入電容上並聯一個較小值的陶瓷電容器並不能有效地減少這種高頻噪聲。
由於陶瓷電容器在出現噪聲的頻段內呈感性，因此需要一些用於衰減的元件。在大多數情況下，這些元件僅會在PCB印製板的走線上產生阻抗。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爲11nH。容量爲1μf、封裝爲0603的陶瓷電容器的典型感抗約爲0.5nH。在100MHz高頻輸入噪聲時，這相當於21dB或減少1/12x。在實際應用中總是期望能得到更多的衰減，但噪聲頻率決定了L/R網絡的衰減量。加鐵氧體雖可增加高頻阻抗，但可使直流損耗降到最小。
如果電路板走線的阻抗不足以作爲阻性元件構成低通濾波器，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爲鋸齒波，並可把它降低爲基頻成分。利用鐵氧體磁珠的直流阻抗(Rb)和濾波電容 (Cf)可以確定轉折頻率和在相應開關頻率下的紋波衰減。鐵氧體磁珠抑制紋波的典型電路（如圖5）及相應的計算方法如下：
圖7爲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的效率有很小的影響。它還在變換器出現高頻噪聲的頻帶內擁有很大的阻抗。從曲線中可以看出，頻率在200MHz以上時阻抗大於100Ω。在應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。
