测量和降低DCDC变换器输出纹波的方法

最新更新时间：2021-03-17

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近年来DC/DC变换器发展十分迅速，由于其效率高、体积小、可靠性高，因此应用非常广泛，在直流电压中，经常存在叠加在直流稳定量上的交流分量，也就是纹波。纹波容易在电子系统上产生谐波从而降低变换器的效率、干扰数字电路的逻辑关系、干扰系统的正常工作，给整个电子设备的正常工作带来隐患。所以，DC/DC变换器在安装到电子设备之前，通过可靠的测试方法测出纹波并减小纹波是十分必要的。

DCDC 变换器输出纹波的来源

理想的BUCK变换器

实际BUCK变换器

考虑 PCB 寄生参数和元器件寄生参数后，会产生高频的振荡以及开关频率的纹波

输出纹波噪声

SCT2A10 DEMO 48V 输入 12V 输出 600mA 负载， 22uF 输出陶瓷电容纹波结果

低频纹波的来源

低频纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗产生

不同类型的电容-铝电解电容

铝电解电容ESR一般由几百毫欧到几欧，瓷片电容一般为几十毫欧，钽电容介于铝电解电容和瓷片电容之间。

铝电容是由铝箔刻槽氧化后再夹绝缘层卷制，然后再浸电解质液制成的，其原理是化学原理，电容充放电靠的是化学反应，电容对信号的响应速度受电解质中带电离子的移动速度限制，一般都应用在频率较低（1M 以下）的滤波场合，ESR主要为铝萡电阻和电解液等效电阻的和，值比较大。铝电容的电解液会逐渐挥发而导致电容减小甚至失效，随温度升高挥发速度加快。温度每升高10度，电解电容的寿命会减半。如果电容在室温27 度时能使用10000小时的话，57度的环境下只能使用1250小时。所以铝电解电容尽量不要太靠近热源。

不同类型的电容-瓷片电容

瓷片电容存放电靠的是物理反应，因而具有很高的响应速度，可以应用到上G的场合。不过，瓷片电容因为介质不同，也呈现很大的差异。性能最好的是C0G材质的电容，温度系数小，不过材质介电常数小，所以容值不可能做太大。而性能最差的是Z5U/Y5V材质，这种材质介电常数大，所以容值能做到几十微法。但是这种材质受温度影响和直流偏压（直流电压会致使材质极化，使电容量减小）影响很严重。下面我们看一下C0G、X5R、Y5V三种材质电容受环境温度和直流工作电压的影响。可以看到C0G的容值基本不随温度变化，X5R稳定性稍差些，而Y5V材质在60度时，容量变为标称值的50%。

可以看到 50V 耐压的 Y5V 瓷片电容在应用在 30V 时，容量只有标称值的 30% 。陶瓷电容有一个很大的缺点，就是易碎。所以需要避免磕碰，尽量远离电路板易发生形变的地方。

不同类型的电容-钽电容

钽电容无论是原理和结构都像一个电池。右边是钽电容的内部结构示意图：

钽电容拥有体积小、容量大、速度快、ESR低等优势，价格也比较高。决定钽电容容量和耐压的是原材料钽粉颗粒的大小。颗粒越细可以得到越大的电容，而如果想得到较大的耐压就需要较厚的Ta2O5，这就要求使用颗粒大些的钽粉。所以体积相同要想获得耐压高而又容量大的钽电容难度很大。钽电容需引起注意的另一个地方是：钽电容比较容易击穿而呈短路特性，抗浪涌能力差。很可能由于一个大的瞬间电流导致电容烧毁而形成短路。这在使用超大容量钽电容时需考虑（比如1000uF 钽电容）。

滤波电容位置

如果滤波电路同时使用电解电容、钽电容和瓷片电容的话，把电解电容放的离开关电源最近，这样能保护钽电容。瓷片电容放在钽电容后面。这样可以获得最好的滤波效果。

相同容值不同类型电容输出纹波

22uF 输出陶瓷电容纹波结果 9.3mV

输出电容为 22uF 电解电容结果 228mV

高频纹波来源

噪声来源：

高 di/dt 回路和回路上的寄生电感；

噪声在 SW 电平发生变化的边沿处。

如何耦合到输出：

寄生电容，电感存在几十 pF 的电容；

PCB 走线时互相靠近的部分存在寄生电容。

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DCDC变换器输出纹波的测量

输出纹波的测量

在想方设法减少输出纹波之前，需要保证我们测量获得了准确的纹波。

错误的测量方式会得到大于实际的纹波，从而导致采用过激的纹波消除方式，付出额外的代价，例如更贵的输出电容，例如更高的开关频率。

不良的纹波测量方法示例（大的地回路）

改进的纹波测量方法示例（小的地回路）

优良的纹波测量方法示例（同轴电缆）

不同测量方法对比

结论：最好采用同轴电缆进行纹波测量，保证准确度，若无则尽量减小地回路保证测量精度

DCDC变换器输出纹波的减小

减小纹波的方法

• 低频纹波

• 电感和开关频率选择

• 输出电容选择

• 多级滤波电路

• 高频噪声

• 元器件布局

• 输入滤波电容选型

• PCB 布局和分层设置

低频纹波减小-电感和输出电容

低频纹波主要取决于电感纹波电流和输出电容阻抗，因此可以

•减小电感纹波电流

•对于同样的电感，增加开关频率，坏处是增加了开关损耗

•对于同样开关频率，增加电感量，坏处是增加了方案尺寸

•减小输出电容阻抗

•使用低ESR和低ESL的电容，坏处是增加了成本

•使用多个电容并联，坏处是增加板子面积，可能增加成本

低频纹波减小-两级滤波

对于一些特殊应用，例如测试和测量行业，对输出电压纹波十分敏感，经常会要求极低的输出电压纹波，例如0.1%的输出电压纹波。对于这种需求，常常需要增加第二级LC滤波电路，如下图所示。在设计第二级LC滤波时主要要保证电路稳定以及有足够的纹波抑制能力。为了保证足够的相位裕量，常常会在L1的两端并联一个电阻，用于减小Q值，提升相位裕量。

高频纹波减小-元器件摆放位置

• 第一要义是尽量减小高 di/dt 的回路的面积。

• 以 Buck 电路为例，高 di/dt 回路是输入电容与 MOS 管的回路，需要做到

• 输入电容尽量靠近芯片

• SW 点的铺铜面积在考虑散热的前提下适当减小

有输入 100nF 滤波电容结果 64mV

无输入 100nF 滤波电容结果 65.2mV

高频纹波减小-元器件走线和层的分布

• 滤波电容和芯片放置在同一面

• 尽量靠近芯片的对应管脚

• 走线尽量宽而短

高频纹波减小-增加额外电路

• Boot 电容上串联一个 Boot 电阻，一般小于 10 欧姆

• SW 对地加 Snubber 电路

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