理解输出电压纹波和噪声一 输出电压纹波来源和抑制

输出电压纹波和噪声是电源质量的重要指标，尤其在对电源稳定性要求极高的医疗设备和测试测量仪器等应用中，对电源纹波和噪声的要求更为严苛。输出电压纹波指的是在理想直流电压基础上叠加的交流成分，而噪声则是指电源输出中含有的、不期望的随机信号。本文首先从输出电压纹波的来源进行分析，并介绍其测量技术和抑制方法。在Buck转换器等开关电源中，输出电压纹波的来源主要包括电感电流纹波、输出电容充放电过程以及寄生电感引起的电压突变。电感电流纹波是由于Buck电路中电感和开关元件的开关动作造成的电流变化。该纹波电流通过输出电容的寄生电阻（ESR）时，会在输出电压上形成相应的纹波。此外，输出电容的充放电过程也会产生电压纹波，这部分纹波主要受到电容类型（如电解电容、陶瓷电容、OSCON电容等）以及其寄生参数的影响。不同类型的电容，由于其ESR和ESL（寄生电感）的不同，其电压纹波的波形也不同。例如，电解电容的ESR相对较大，其纹波会更接近于电感电流纹波；而陶瓷电容的ESR和ESL都很小，纹波则主要由电容的充放电过程决定。为了准确测量输出电压纹波，需要考虑多个因素，包括减小接地环路以避免干扰，使用示波器探头靠近电容两端以减少测量误差，避免同时使用其他通道测试以免产生额外的干扰，并且在关注开关频率分量时打开示波器带宽限制以减少噪声干扰。测量时，应考虑如何有效地区分开关频率的纹波和噪声成分，以得到准确的纹波数值。降低输出电压纹波的方法通常包括降低电感电流纹波或降低输出电容的输出阻抗。增加电感量或提高开关频率可以有效降低电感电流纹波，但需要权衡电路效率、体积等因素。在开关频率和电感量固定的情况下，降低输出电容的ESR是一种有效降低纹波的方法。此外，工程实践中常常通过并联不同类型的电容器来优化输出阻抗，从而降低输出电压纹波。复杂的计算可以通过使用Excel等工具来辅助完成。如果这些措施仍然无法达到所需的纹波水平，可以增加第二级LC滤波器进一步降低纹波。不过，增加LC滤波器可能会导致环路稳定性问题，此时可以在电感两端增加damp电阻来降低品质因素Q值，以保证环路的稳定性。要优化电路性能，降低输出电压纹波，需要深入理解纹波的来源和特性，并在设计时考虑如何通过调整电感、开关频率和输出电容的参数来达到应用要求。通过上述方法，可以有效地降低输出电压纹波，满足医疗设备、测试测量仪器等对电源稳定性有严格要求的应用。