开关电源中电源纹波噪声产生的原因及解决方法，附实战方案

发布时间：2024-12-3 阅读量：2500 来源: 我爱方案网作者: bebop

DC/DC电源电路具有功耗低，功率高的优点，但同时由于DC/DC电路转换通过开关方式完成，造成不可避免的噪声引入，具体为电源电路的纹波和噪声。

这种现象不仅影响了设备的性能，还可能缩短其使用寿命。本文将探讨电源纹波噪声产生的原因，并提出有效的解决方法。

电源纹波噪声产生的原因

开关电源的设计缺陷：开关电源通过快速切换状态来转换电压，这一过程中不可避免地会产生电磁干扰（EMI），进而形成纹波噪声。如果开关频率选择不当或滤波设计不足，纹波噪声会更加严重。
负载变化：当电源所驱动的电路负载发生快速变化时，电源需要迅速调整输出以满足新的需求。这种快速响应可能会导致输出电压的波动，从而产生纹波噪声。
接地不良：在多点接地或接地路径存在高阻抗的情况下，电流流经这些路径时会产生压降，导致地电位波动，进而引起电源纹波。
元件老化或损坏：随着使用时间的增长，电源内部的电容、电阻等元件可能会老化或损坏，这些元件性能的变化会导致纹波噪声的增加。
外部干扰：外界电磁环境中的电磁干扰也可能侵入电源系统，造成纹波噪声。例如，附近的无线发射器或其他电子设备产生的电磁场可能会影响电源的稳定性。

解决电源纹波噪声的方法

1.吸收式滤波：吸收式滤波有电容和电容电路构成，可以将噪声彻底消除。

2.反射式滤波:由π，T或L或LC滤波电路组成，其原理是使直流信号无衰减的通过滤波电路，而频率较高的纹波和噪声则被返回至源端。利用了滤波电路的阻抗失配达成滤波效果。其特点是滤波电路并不能将噪声完全消除，干扰仍然存在于电路中。根据源端阻抗和负载端阻抗的不同，有以下四种反射式滤波电路可供选择。DC/DC电路中常用1和3.

（图源面包板社区）

由于LC滤波电路的滤波原理是反射，干扰仍会存在于电路中，因此为避免这些干扰对其他电路的影响，需要采取其他一些措施：

增加滤波电容。单纯的电容和磁珠都具有将噪声完全滤除噪声的作用。

（图源面包板社区）

如上图所示，为减小输入端电源电路的干扰对电源电路的影响，需在A处放置电源滤波电路，其效果是将干扰反射回3.3V电源平面，而为避免反射的这些干扰对其他3.3V器件的影响，要在B处放置若干滤波电容。

将磁珠串联在LC滤波电路上，利用磁珠吸收电源干扰。如下图所示

（图源面包板社区）

这样既发挥了LC滤波电路的反射功能，又充分利用了磁珠对纹波和噪声等干扰的吸收功能。

如果要求更加严格，还可以加一级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，输出噪声可达μV级。

（图源面包板社区）

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。

下面快包分析师将推荐国内外性能领先的即插即用数字电源方案PCBA及其技术实现方式，以作参考。

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意法半导体3 kW 全桥 LLC 谐振数字电源方案

方案简介：

一款数字控制的3 kW全桥LLC谐振DC-DC转换器，具有输出同步整流功能。该套件由电源板、数字控制板、适配器板和固件模块组成。

LLC转换器的全桥初级部分基于MDmesh DM2功率MOSFET，可实现高效率性能。PWM开关频率通过数字控制来调节输出电压。该转换器在接近谐振的频率下工作，以最大限度地提高效率，并在整个工作范围内实现零电压开关（ZVS）。

数字控制板上的STM32F334微控制器嵌入了高分辨率定时器，可实现更精细的调节，并可通过 USART、CAN、SMBus 和光耦合串行通信来传输状态信息。

方案特点：

额定功率：

输入直流电压：375 V 至 425 V
输出电压：48 V
最大输出电流：62.5 A
输出功率：3 kW
峰值效率：95.3%
高频变压器隔离电压：4 kV

谐振和开关频率：

最大DC-DC开关频率：380 kHz（启动时）
闭环开关频率：120kHz 至 250kHz
谐振频率：175 kHz

保护机制：

输入和输出端的欠压和过压保护
过热保护
短路保护
根据输出功率和温度调节空气流速的强制冷却

效率：

自适应同步整流
轻负载突发模式

应用场景：

通信电源，服务器电源，PV储能电源，UPS不间断电源

小华HC32F334 3kW 两相交错全桥LLC方案（参考设计）

方案简介：

交错式LLC电源拓扑能大幅度降低LLC输出电流纹波，可以减少输出侧滤波电容，从而减少系统体积；扩大单相LLC变换器的输出功率容量，相比直接并联，多相交错后相间易于均流；轻负载时还可以以单相全桥模式工作。所以已经广泛应用在中大功率工业领域。小华HC32F334专用数字电源控制器结合了交错LLC的发波时序和保护需求，完全自主开发设计，支持12路130ps高精度HRPWM。

方案特色：

输入电压：DC 380-420V

输出电压：DC 48V

功率：3000W

峰值效率：97%

谐振频率：132K

两相均流度：＞95%

输出纹波：＜1%

应用场景：

AC/DC、DC/DC数字电源应用，如通信与服务器电源、砖块电源、微逆、充电桩DC/DC等。

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