第２８卷第５期 ２００８年ｌ０月 辽宁工业大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） 、ｂ１．２８．Ｎｏ．５ Ｏｃｔ．２００８ 开关电源纹波和噪声的抑制 董玉林，王晓明，刘 瑶，周青山 （辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 １２１００１） 摘要：分析了开关电源纹波和噪声的组成成分及哪些成分需要抑制。通过铁氧体磁珠抑制基频纹波和高频 噪声的等效电路，得出结论为当降压型变换器与其他电路拥有共同的输入电压时，降压型变换器的输入噪声完全 可以干扰其他装置；简单滤波方式可以用来降低输入噪声，改善电路的特性。最后给出了计算公式及结果。 关键词：开关电源；纹波和噪声抑制；铁氧体磁珠 中图分类号：ＴＭ４０１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４－３２６１（２００８）０５—０３０２—０３ Ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ Ｎｏｉｓｅ Ａｔｔｅｎｕａｔｅｓ ｗｉｔｈ ＳＭＰＳ ＤＯＮＧ Ｙｕ－ｌｉｎ， ＮＧ Ｘｉａｏ—ｍｉｎｇ，ＬＩＵ Ｙａｏ，ＺＨＯＵ Ｑｉｎｇ—ｓｈａｎ （Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｊｉｎｚｈｏｕ １２１００１，Ｃｈｉｎａ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＭＰＳ；ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ；ｆｅｒｒｉｔｅ ｂｅａｄ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｎｄ ｔｈｏｓｅ ｎｏｉｓｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ｗｈｉｃｈ ｒｅｑｕｉｒｅｓ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｗａｓ ｄｒａｗｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｒｅｊｅｃｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒｉｐｐｌｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｎｏｉｓｅ ｗｉｈ ｆｔｅｒｒｉｔｅ ｂｅａｄ ｗｈｅｎ ｂｕｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｕｐｐｌｉｅｄ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｓａｍｅ ｖｏｌｔａｇｅ，ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｎｏｉｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｄｉｓｔｕｒｔｅｄ ｏｔｈｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ ｅｎｔｉｒｅｌｙ．Ｓｉｍｐｌｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｉｎｐｕｔ ｎｏｉｓｅ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｆｏｒｍｕｌａ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． １纹波和噪声 纹波和噪声电压通常出现在交流电压信号加 到ＤＣ／ＤＣ变换器的直流输入输出电容器上。ＳＭＰＳ 的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波就是开关电源 充放电时输出电压的波动；噪声就是发生在基频平 影响。 噪声 均值的尖峰，通常称为ＲＭＳ噪声。纹波电压波形 描述了输入输出电容器的充放电的结果，在最大负 载时是极大的。 高频噪声尖峰出现在ＳＭＰＳ的开通和关断时 图１典型的纹波和噪声电压 ２纹波和噪声的抑制 开关电源的输入纹波和噪声，如果不滤波，有 时足以干扰其他装置。因此，有必要采取适当的方 刻，如图１，可由示波器准确地测试到。尽管噪声 的重复频率由ＳＭＰＳ的开关频率决定，但通常此频 率包含的噪声尖峰频率高于开关频率；幅值的大小 由ＳＭＰＳ的拓扑、寄生电流和ＰＣＢ走线决定，尽 管出现在高频，但噪声尖峰极易受探头和实验结构 法来抑制这些纹波和噪声，减少对整个电路的影 响。要想有效地抑制开关电源的纹波和噪声，首先 就应该知道开关电源纹波和噪声的组成成分，及哪 些成分需要抑制。 收稿日期：２００７－０５—２２ 作者简介：董玉林（１９７４一），男（满族），辽宁本溪人，讲师，硕士生。 王晓明（１９５６一），男，辽宁锦州人，教授。 第５期 董玉林等：开关电源纹波和噪声的抑制 ３０３ ２．１基频开关输入纹波 不论电容器值的大小，阻抗都呈感性并且很相似。 对于一个Ｂｕｃｋ变换器，输出电感在开关周期 开通期间连接到输入，而在关断期间与输入断开。 当输入电容器电流没有直流成分时，电源和输出电 感电流在整个开关周期基本是恒定的（忽略电感纹 波电流）。直流输入电压稳定时，输入电容器在开 关导通期间的充电量 必须等于电容器在开关 因此，在Ｂｕｃｋ电路的输入电容上并联一个较小值 的陶瓷电容器并不能有效地减少这种高频噪声。 ｌ０ ＼ 、 ～ ＼ １ Ｃ： ＼ ＼ 、 ．， ＼ ＼ ／ ／ 。＼ ｏ．１ ＼ 、 ＼ ＼ ／ 关断期间的放电量。 图２为输入电容器的纹波电压和电流的波形， 式（１）则描述了电压纹波的锯齿特性。纹波的大小 随输入电压波动，在占空比为５０％时最大。为减少 输入纹波，要么增加电容量，要么减少输入电容Ｃｊ 的等效串联电阻（ＥＳＲ）。陶瓷电容器通常具有非常 低的ＥＳＲ，但对输入电压纹波影响不大。一个０８ｏ５ 封装１０ １０Ｖ Ｘ５Ｒ电容器在直流３．６ Ｖ应用中， 实际容量约为４．２ ．对于１．８ Ｖ４００ｍＡ的输出负 载，输入波纹电压的峰值为１７．４ ｍＶ，见式（１）。 ｄｖ＝Ｄ＊ｌｏ＊ｄｔ／ｃ 图２输入电容的纹波电压和电流 Ｖｐｐ＝ＤＩｏ［ＥＳＲ＋（・ ｌ－ Ｄ）／Ｊ＝ ｌ－（ ） ，ｏ 脚＋ ＋＝１７．４ｍＶｐｐ 另外，计算输入电容量时需要给定输入电容的 ＥＳＲ和纹波要求。 ２．２高频噪声 在便携式应用中，直流变换器的高频输入噪声 通常可达１００ ＭＨｚ以上。“噪声”其实是一个甚高 频振铃或变换器电源部分的寄生振荡。在开关转换 过程中，能量储存在感性和容性的寄生振荡中直到 消失。在每个周期内，噪声都会出现在开关波形的 边缘，尽管噪声频率非常高，但仅用一个典型的旁 路电容器是不能使其衰减的。陶瓷电容器的阻抗频 率特性曲线，如图３所示。当在ｌ００ＭＨｚ或以上时， ＼ ＼＼ 、 ＞ 《＿／ ／ Ｏ．０１ Ｉ． ， ０．０１ Ｏ．１ ｌ ｌＯ ｌ０Ｏ ｌＯＯＯ 频率／ＭＨｚ 图３陶瓷电容器的阻抗频率特性 由于陶瓷电容器在出现噪声的频段内呈感性， 因此需要一些用于衰减的元件。在大多数情况下， 这些元件仅会在ＰＣＢ印制板的走线上产生阻抗。在 ６２ ｎａｉｌ ＦＲ４电路板上５０ ｍｉｌ宽２盎司铜走线的阻抗 典型值每英寸约为Ｉ ｌ ｎＨ．容量为Ｉ 、封装为０６０３ 的陶瓷电容器的典型感抗约为Ｏ．５ ｎＨ．在１００ ＭＨｚ 高频输入噪声时，这相当于２１ ｄＢ或减少１／１２ｘ．在 实际应用中总是期望能得到更多的衰减，但噪声频 率决定了Ｌ／Ｒ网络的衰减量。加铁氧体虽可增加高 频阻抗，但可使直流损耗降到最小。通过实验，测 试给出旁路电容对纹波的抑制（如图４）、旁路电容 和走线感抗对高频噪声的抑制（如图５）、铁氧体磁 珠对纹波的抑制（如图８）。 ｒ ，＿＼ ／’、 Ｖｃｆ ＼ －——一一 —、 ； ｒ １ ００ｍｖ／ｄｉｖ Ｖｃｉｎ ２ ／ｌ、 一Ｌ、 Ｉ 、＼ ．，一一 ｌ Ｉ ｌＯＯｍｖ／ｄｉｖ Ｃｈｌ １００ｒａｖＤ Ｃ１１２ Ｍ ５．ＯＯｍｓ Ｃｈ２ ６２ｍｙ 图４旁路电容对纹波的抑制图 ／ Ａ ＼ Ｖｃｆ Ｖ Ｖ １ ００ｍｖ／ｄｉｖ ／ ＾，、 ＼ Ｖｃｉｎ ｙ Ｖ ３０４ 辽宁Ｘ－，３ｋ大学学报（自然科学版） 第２８卷 ２．３铁氧体对纹波和噪声减少 如果电路板走线的阻抗不足以作为阻性元件 构成低通滤波器，可用一个小铁氧体磁珠（贴片封 装）增加阻抗，改善对噪声的抑制。使用铁氧体磁 珠可以把输入纹波衰减近似为锯齿波，并可把它降 低为基频成分。利用铁氧体磁珠的直流阻抗（风）和 ：］｝ｌ ：：一Ｊｊ； ｊｌ ｌＪ，； ｊ，ｌ ｉ！ ｌ１ｉｌ ｌ ｍ ｕｍｗ ａ．，ｖｊ 滤波电容（Ｃｒ）可以确定转折频率和在相应开关频率 下的纹波衰减。铁氧体磁珠抑制纹波的典型电路 （如图６）及相应的计算方法如下： 图６用铁氧体磁珠＃Ｐ￣ＪＪ开关频率纹波的等效模拟电路 １， ＣＩＮＰＰ—Ｔ： 一 ＩＮ ｓｉｎ（ｑ；ｎｆ“ ｔ、一 ： 一 ６．３ ｍＶｓｉｎ（ｔ￣ｔ）＝１２．６ ｍＶ （２） ＦＣ ＝一 一———２ｒｔＲ—Ｃｅ —＝５３０ ｋＨｚｂ＝１．４ ＭＨｚ（开关频率） （３） Ｇａｂ＝－２０１ｏｇｆ鲁ｌ一９ ｄＢ ｆ一９１ Ｇ：１ｄ∞』：０．３５ （４） ＰＣＦ＝Ｇ ＩＮＰＰ＝４．４ ｍＶ （５） 高频噪声的衰减要求测试在输入高频噪声的 共振频率下铁氧体磁珠的阻抗。通常高频噪声出现 在约４００ ＭＨｚ时，而图７中在４００ ＭＨｚ下铁氧体 磁珠的阻抗约１４０ Ｑ．从图３可知，滤波电容器在 ４００ ＭＨｚ时相应的阻抗约为１ Ｑ并且呈感性。这样， 利用该网络就可以大概计算出在４００ ＭＨｚ时的衰 减，等效模拟电路如图６所示。 ＝ 图７用铁氧体磁珠抑制高频噪声的等效模拟电路 ＺＣＦ＝２ Ｆ＝１．３ Ｑ （６） Ｇ＝ ＺＣＦ＝。．。ｌ （７） ＰＣＦ＝Ｇ・ ＰＣ ＝３ ｍＶ （８） 图９为一个贴片封装的铁氧体磁珠的典型阻抗 频率特性。铁氧体磁珠有一个ｑｌ￣ｄ，的直流阻抗，使 它通过直流电流对系统的效率有很小的影响。它还 在变换器出现高频噪声的频带内拥有很大的阻抗。 从曲线中可以看出，频率在２００ＭＨｚ以上时阻抗大 于１００ Ｑ．在应用了铁氧体磁珠的例子中，有５００ ｍＡ的额定电流和Ｏ－３ Ｑ的直流阻抗，这就使附加 器件的损耗可以降到最低。 ２００ ； Ｃ＝１ ５０ ｆ， ． 园１００ ＼ ５０ ｆ ， ＼ ／ ， ／ 、 Ｘ Ｏ ｌ０ １ＯＯ １０００ ２０００ 频率／ＭＨｚ 图９铁氧体磁珠的典型阻抗频率特性（０６０３封装） ３ 结 论 当降压型变换器与其他电路拥有共同的输入 电压时，降压型变换器的输入噪声完全可以干扰其 它装置。简单滤波方式可以用来降低输入噪声，改 善电路的特性。在大多数情况下，共同输入电压的 电路用陶瓷电容器就可以了，而在变换器输入与其 他电路输入源之问连接铁氧体磁珠可以进一步衰 减输入噪声。 参考文献： 【１】周志敏，周纪海．开关电源实用技术一一设计与应用 【Ｍ】．北京：人民邮电出版，２００３． ｆ２】王彤．使用开关电源的产品的电磁干扰抑制对策实例 ［Ｍ】．北京：人民邮电出版，２００４． 【３】比林斯，张占松，汪仁煌．开关电源手册［Ｍ１．谢丽萍， 译．北京：人民邮电出版社，２００６．责任编校：孙 林
