电源系统噪声来源与错施

t007

电源系统噪声来源

电源是电子产品的心脏，给系统提供源源不断的能量，但是总会受到各种影响。在这给大家罗列出噪声的来源主要三个方面：

第一，电源转换芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹。这是由芯片自身决定的，一旦选好了电源芯片，对这部分噪声工程师只能接受，无法控制。但是可以通过设计合适的外围电路减小其对电路系统的影响。

         


第二，电源芯片无法实时响应负载对于电流需求的快速变化（这就是会产生噪声）。电源芯片通过感知其输出电压的变化，调整其输出电流，从而把输出电压调整回额定输出值。多数常用的稳压源调整电压的时间在毫秒到微秒量级(也有更小一些的)。因此，对于负载电流变化频率在直流到几百KHz甚至MHz之间时，稳压源可以很好的做出调整，保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时，稳压源的电压输出会出现跌落，从而产生电源噪声。



第三，负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗（通常所说的PDN阻抗）上产生的压降。PCB板上任何电气路径不可避免的会存在阻抗，不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层电路板，通常需要提供一个完整的电源平面和地平面。电源输出首先接入电源平面，供电电流流经电源平面，到达负载电源引脚。



地路径和电源路径类似，只不过电流路径变成了地平面。完整平面的阻抗很低，但确实存在。如果不使用平面而使用引线，那么路径上的阻抗会更高。



另外，引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在，瞬态电流流经此路径必然产生压降，因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动，这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为负载芯片电源引脚处的电压轨道塌陷，在地路径表现为负载芯片地引脚处的电位和参考地电位不同。

         

当然，电源噪声的来源还与热、外界的干扰等也有关系。

电源噪声分析  

一提到电源噪声，相信就会引起很多电子工程师的共鸣。我们平时所说的电源噪声到底是什么呢?它等同于电源纹波吗?

  事实上，电源噪声不同于电源纹波，它是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分。而纹波是出现输出端子间的一种与输入频率、开关频率同步的成分，是叠加在稳定直流信号上的交流干扰信号。



在电源噪声的分析过程中，比较经典的方法是使用示波器观察电源噪声波形并测量其幅值，据此判断电源噪声的来源。（示波器频域分析在电源调试的应用）但是随着数字器件的电压逐步降低、电流逐步升高，电源设计难度增大，在观察时域波形无法定位故障时，可以通过 FFT(快速傅立叶变换)方法进行时频转换，将时域电源噪声波形转换到频域进行分析。电路调试时，从时域和频域两个角度分别来查看信号特征，可以有效地加速调试进程。

示波器的频域分析功能是通过傅立叶变换实现的，傅立叶变换的实质是任何时域的序列都可以表示为不同频率的正弦波信号的无限叠加。我们分析这些正弦波的频率、幅值和相位信息，就是将时域信号切换到频域的分析方法。数字示波器采样到的序列是离散序列，所以我们在分析中最常用的是快速傅立叶变换(FFT)。FFT算法是对离散傅立叶变换(DFT)算法优化而来，运算量减少了几个数量级，并且需要运算的点数越多，运算量节约越大。

示波器捕获的噪声波形进行FFT变换，有几个关键点需要注意：

1、根据耐奎斯特抽样定律，变换之后的频谱展宽(Span)对应与原始信号的采样率的1/2，如果原始信号的采样率为1GS/s，则FFT之后的频谱展宽最多是500MHz;

2、变换之后的频率分辨率(RBW Resolution Bandwidth)对应于采样时间的倒数，如果采样时间为10mS，则对应的频率分辨率为100Hz;

3、频谱泄漏，即信号频谱中各谱线之间相互干扰，能量较低的谱线容易被临近的高能量谱线的泄漏所淹没。避免频谱泄漏可以尽量采集速率与信号频率同步，延长采集信号时间及使用适当的窗函数。

电源噪声测量时要求采集的信号时间可以足够长，可以认为覆盖到了整个有效信号的时间跨度。

减小开关电源的纹波和噪声的措施  

开关电源（包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块）与线性电源相比较，最突出的优点是转换效率高，一般可达80%～85%，高的可达90%～97%；其次，开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，不仅重量减轻，体积也减小了，因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的1%左右（低的为输出电压的0.5%左右），最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV；而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也较小，其单位是μV。



本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。

一、纹波和噪声产生的原因：

开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

         

二、减小纹波和噪声电压的措施：

开关电源除开关噪声外，在AC/DC转换器中输入的市电经全波整流及电容滤波，电流波形为脉冲，如图17所示（图a是全波整流、滤波电路，b是电压及电流波形）。电流波形中有高次谐波，它会增加噪声输出。良好的开关电源（AC/DC转换器）在电路增加了功率因数校正（PFC）电路，使输出电流近似正弦波，降低高次谐波，功率因数提高到0.95左右，减小了对电网的污染。电路图如图1所示。



开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑，各部分电路的设计及PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高；低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。

         

1、减少EMI的措施

可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器，如图3所示（EMI滤波器也称为电源滤波器）。



2 、在输出端采用高频性能好、ESR低的电容

采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF，其在20℃、100kHz时的等效串联电阻（ESR）最大值为25mΩ，最大的允许纹波电流（在100kHz时）为2400mArms，其尺寸为：7.3mm（长）×4.3mm（宽）×1.8mm（高），其型号为10TPE68M（贴片或封装）。纹波电压ΔVOUT为：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的铝电解电容作输出电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右，无法在高频（100kHz以上的频率）下工作，再增加电容量也无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。

         

分享如何测量电容以及电容在SI/PI中的应用

         

某些开关频率在100kHz到几百kHz之间的电源，采用多层陶电容（MLCC）或钽电解电容作输出电容的效果也不错，其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。

         

3 、采用与产品系统的频率同步

为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同（不知道原作者这一方式的原因，仅供参考）。

         

4、避免多个模块电源之间相互干扰

在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。

例如，用两个K7805-500开关型模块组成±5V输出电源时，若两个模块靠的很近，输出电容C4、C2未采用低ESR电容，且焊接处离输出端较远，则有可能输出的纹波和噪声电压受到相互干扰而增加，如图4所示。



如果在同一块PCB上有能产生噪声干扰的电路，则在设计PCB时要采取相似的措施以减少干扰电路对开关电源的相互干扰影响。

5 、增加LC滤波器

为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器，如图5所示。图5左图是单输出，图21右图是双输出



在表1及表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压时的电容值。要注意的是，电容量不能过大而造起动问题，LC的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰，L采用μH极的，其直流电阻要低，以免影响输出电压精度。



有些小电流，负载相对比较恒定的场景，我们增加“RC滤波”。LC滤波要注意，避免谐振。

6 、增加LDO

在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器（LDO）能大幅度地降低输出噪声，以满足对噪声特别有要求的电路需要（见图），输出噪声可达μV级。



由于LDO的压差（输入与输出电压的差值）仅几百mV，则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

7、增加有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器

有源EMI滤波器可在150kHz～30MHz间衰减共模和差模噪声，并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时，可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声，在满载时效率可达99%。输出纹波衰减器可在1～500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上，并且能改善动态响应及减小输出电容。

         

注：此文收集信号完整性公众号，纯属收集学习与共享。如有冒犯请联系删除，谢谢。