滤波器滤波的本质是什么？

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苗孜娇|责任编辑|2021-03-18 09:40:51
开关电源利用三极管等半导体器件作为开关，最大限度地降低了损耗，但却在开关过程中，不可避免地引入了电源纹波和噪声。作为开关电源的重要参数，电源纹波和噪声过大会影响产品输出精度，严重时会导致产品故障。为此，本文从纹波形成原理，示波器探头、频带选择，纹波测试方法和抑制措施等多角度进行研究和分析，为电源模块高可靠性工作提供思路。

 

1、纹波形成原理

以降压型电路为例，开关电源原理可以简化为图1，MOS管在电路中起开关作用。当MOS管导通时，二极管截止；当MOS管截止时，形成泄流通路。

开关电源模块的纹波噪声分析-第1张图片

图1 开关电源原理简化图

如图2所示，在MOS管作用下，开关电源模块输出端最初产生方波，经过电感后波形变为斜三角，然后经电容器滤波作用后形成纹波，其简单的公式推导如下：

 

开关电源模块的纹波噪声分析-第2张图片

图2 纹波形成原理简化图

原始输出：U=Ldi/dt ,经电感后,U/L=di/dt。式中:U为输出电压；L为电感量，di/dt为电流变化率。
噪声区别于纹波，它的产生频率高，与开关电源自身拓扑结构和外界电磁干扰相关。由于纹波是在开关电源模块反复开关下产生，所以其波动频率与MOS管通断频率一致。

2、示波器探头和频带选择

示波器探头选择关系到探头与示波器阻抗的匹配问题，探头分为有源探头和无源探头。有源探头具有带宽高、输入阻抗小，一般为几十kΩ，对信号无衰减，即输入与输出比为1∶1的特点，缺点是电压耐受低、价格昂贵；无源探头带宽低、信号10∶1衰减，使用TEK示波器时不能自动实现阻抗匹配，需设置示波器输入电阻为1 MΩ，价格低廉，缺点是对空间干扰的敏感度较高。
测试电源模块纹波和噪声时，示波器带宽一般选择20 MHz，不同带宽下测试结果差异较大，以一款5V转5V应用于通信供电的全新电源模块为例，分别在示波器全带宽500 MHz和20 MHz下进行满载测试，测试结果如图3所示，示波器带宽500 MHz时，外界噪声干扰多，所测纹波和噪声峰峰值达312 mV，结果不可靠；示波器带宽为20 MHz时，测试纹波和噪声为20 mV，符合数据手册指标要求，测试结果可靠。

开关电源模块的纹波噪声分析-第3张图片

（a）带宽500 MHz波形

 开关电源模块的纹波噪声分析-第4张图片

（b）带宽20 MHz波形
图3 不同带宽下纹波和噪声波形

3、纹波噪声测试方法

为了减小测试过程中外界的噪声干扰，提高测试精度和可靠性，电源模块纹波和噪声测试有同轴电缆测试、双绞线测试、平行线测试和靠接法测试等。本文以靠接法测试为例，详细说明测试过程及注意事项。测试设备如表1所示，如图4所示连接电路。为了过滤噪声，在负载端并接10 uF的钽电容和0.1 uF的陶瓷电容。选取输入电压标称值，依次在空载、半载和满载条件下，测试叠加在直流输出端的纹波和噪声。

表1 电源模块测试设备

序号

 仪器设备名称 用途
1 Chroma直流稳压电源 提供输入电压
2 数字万用表 测试电压、电流
3 示波器 测试各种输入、输出波形
4 Chroma6314阶跃电负载 提供输出负载

开关电源模块的纹波噪声分析-第5张图片

图4  电源模块测试电路图

1）区别于测试电源模块的开关冲击、过欠压等选用示波器的直流档位，测试纹波和噪声前需设置示波器为交流档位。
2）依据开关管的上升时间，设置带宽为20 MHz以减少外界噪声、电磁干扰。
3）示波器探头直接采集电源模块输出管脚，可选择用探头的接地弹簧针代替探头地线，以减少探头地线与探针所形成的环路干扰，避免电磁噪声干扰测试信号。
4）为过滤噪声，负载输出端并接电容一般选取ESR低的10 uF电解电容器。
5）供电电源限流点设置需满足负载的可调性，避免测试过程中电源模块无输出电压等特性。
6）测试纹波和噪声时电子负载设置在恒流模式下进行负载调节。

4、纹波噪声抑制方法

依据纹波形成原理，当开关电源模块纹波偏大时，可从以下方面进行改进。
1）增大滤波电容，使纹波平滑，不同频段的纹波和噪声选用不同的滤波器件。对于频率小于100 kHz的，选用低频铝电解电容器或钽电容器抑制纹波；频率大于100 kHz 的，选用高频陶瓷电容器抑制纹波。
2）增大电感，以抑制电流突变，但当电感无限增大时，虽然改善了电源模块纹波和噪声等稳态特性，但同时也造成了电源不稳定、负载波动等瞬态特性问题，所以一般对于由变压器和导线所形成的共模电感，采用耦合电感，以达到电流变化监测来调整感值变化。
3）通过增大开关频率来改善纹波，理想的方波上升沿上升时间和下降沿下降时间趋于无穷小，而现实存在的上升和下降时间，使得信号波形能量不足，造成纹波产生。所以改善纹波需要通过减小方波上升沿的边沿能量，缩短边沿爬升时间。但此时也带来了新的问题，伴随MOS管工作次数增加，其功耗增加，导致效率降低，所以开关频率需结合效率和纹波综合分析后做出判断。
4）优化PCB布局，抑制开关电源模块的纹波和噪声。有条件情况下增大地平面面积，对减小电压纹波有益；电感器尽可能靠近芯片管脚，以降低噪声；尽可能减小敏感信号的地线长度，减少回流面积，降低干扰。
除了上述纹波和噪声的问题外，开关电源模块还存在以下问题需要注意：①电流冲击大，与芯片负载无关，与电容和边沿爬升速度有关，所以减小电流冲击一般可从降低电容和减缓边沿爬升速度二方面采取措施；②在选型时选择通流量大的电感器；③控制测试线缆长度，若过长，会导致电感感值增大，电感和电容的谐振峰发生偏移，产生过大噪声；④一般出现在电源轻负载时，由频率谐振引起电容机械振动，可通过点胶或波峰焊前刷锡膏或采用柔性端子等改善。

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