本文企圖闡明開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)與測(cè)試中的若干細(xì)節(jié)問(wèn)題，這是一些比較容易被忽略的小細(xì)從圖片庫(kù)選擇節(jié)。
一、紋波的檢測(cè)
（一）、紋波的組成成份
電源性能的最直觀的表現(xiàn)是電源雜訊，所謂電源的雜訊就是指電源輸出電流的波動(dòng)。
若果是開(kāi)關(guān)電源，輸出雜訊是有規(guī)律的擺動(dòng)，擺動(dòng)的頻度等于開(kāi)關(guān)頻度。諧波的產(chǎn)生是由于電壓流過(guò)輸出電容在電容的ESR上所引發(fā)的壓降，開(kāi)關(guān)電源中不斷地有脈動(dòng)的電壓流經(jīng)電容，所以它的雜訊的頻度等于開(kāi)關(guān)頻度。
圖1、開(kāi)關(guān)頻度為的開(kāi)關(guān)電源的輸出雜訊
之后，悉心的你就會(huì)發(fā)覺(jué)，脈動(dòng)的電流波動(dòng)上疊加了細(xì)細(xì)的“針針”，這是開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)訊號(hào)所引發(fā)的開(kāi)關(guān)噪聲。為此，確切地說(shuō)，電源的輸出波動(dòng)實(shí)際上有兩個(gè)部份組成，雜訊與噪聲。
圖2、電源的輸出波動(dòng)的分解
后面已提到諧波的產(chǎn)生是由于脈動(dòng)的電壓流過(guò)輸出電容，之后在電容的ESR上所產(chǎn)生的壓降，所以要想剿滅雜訊是不可能的，只能是盡可能地去降低。
而疊加在雜訊上的噪聲卻是有機(jī)會(huì)得到改善的，在開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)管造成的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)疊加到輸出電流上，之后由于其頻度好多，很難被混頻器濾除，所以容易擴(kuò)散至整個(gè)PCB板子，導(dǎo)致EMC問(wèn)題。
關(guān)于開(kāi)關(guān)噪聲的改善，下文再詳盡論述。在想辦法解決問(wèn)題之前，我們須要獲得確切的信息來(lái)作決策的根據(jù)，錯(cuò)誤的信息輸入必定得到愈發(fā)錯(cuò)誤的決定。
（二）、如何正確地檢測(cè)電源的輸出電流的諧波？
為了表述的便捷，我們通常把輸出電流的波動(dòng)也稱為雜訊，并且我們?cè)趦?nèi)心深處必須時(shí)刻有一個(gè)根深蒂固的概念，我們?cè)跍y(cè)試時(shí)實(shí)際上是為了獲取兩個(gè)信息：雜訊電流以及噪聲。
雜訊電流的產(chǎn)生與脈動(dòng)電壓和電容的ESR相關(guān)，所以在測(cè)試時(shí)須要分別測(cè)試不同負(fù)載電壓下的雜訊電流，這是基于不同的脈動(dòng)電壓的審視。最須要的注意的是不要人為地降低ESR，所以測(cè)試時(shí)須要在輸出電容的兩端就近檢測(cè)，否則路徑會(huì)額外降低ESR值。
噪聲的產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)路徑上的寄生電感相關(guān)，所以在測(cè)試時(shí)須要注意不能引進(jìn)額外的寄生電感，否則測(cè)試所得的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)小于實(shí)際值。
圖3和圖4是兩種錯(cuò)誤的雜訊檢測(cè)的方式，它們正確的地方是在電容兩端就近檢測(cè)，錯(cuò)誤在于引入或則說(shuō)吸收了噪聲，致使測(cè)試所得的結(jié)果偏離實(shí)際情況。
圖3、錯(cuò)誤的雜訊檢測(cè)方式
圖4的錯(cuò)誤很容易被忽略，就是在測(cè)試時(shí)必須移除多余閑置的探棒，防止人為地引入噪聲。
圖4、在雜訊檢測(cè)時(shí)，請(qǐng)移除多余的閑置探棒
圖5、正確的雜訊檢測(cè)方式
正確檢測(cè)雜訊的姿態(tài)是使用雜波帽，如圖5示意，這樣可以保證檢測(cè)路徑最短，引入的噪聲最少。
圖6、簡(jiǎn)易高效的雜訊檢測(cè)方式
假如，手頭條件有限，沒(méi)有雜訊帽咋整？雖然很簡(jiǎn)單，可以自制。在密集檢測(cè)時(shí)，還可以使用圖6的方式，將自制的雜訊帽直接焊到PCB板上。
（三）、如何高貴地檢測(cè)電源的輸出電流的諧波？
前文講了怎樣正確地檢測(cè)雜訊，為何要如此做，這樣做的原理是哪些，等等。好多事情算是老生常談了，相信多數(shù)人是曉得的而且很熟悉的。
在這兒，我想再提一個(gè)概念，高貴地測(cè)試。后面是談怎樣正確地檢測(cè)。正確檢測(cè)是一個(gè)技術(shù)問(wèn)題，有具體的操作步驟和規(guī)范，而端莊是一個(gè)心態(tài)問(wèn)題，好多時(shí)侯你會(huì)發(fā)覺(jué)兩個(gè)不同的人基于同樣的儀器和操作指南卻得到了不同的檢測(cè)結(jié)果。
圖7是測(cè)試人員在測(cè)試雜訊時(shí)，探棒沒(méi)有“站直”，斜躺下，結(jié)果很不幸躺到了電感上，而電感是幅射源。在指責(zé)其檢測(cè)結(jié)果時(shí)，他還委屈，說(shuō)采用了雜訊帽，并且是就近檢測(cè)的啊。后來(lái)，仔細(xì)觀察方才發(fā)覺(jué)檢測(cè)的坐姿有問(wèn)題。
圖7、不同的檢測(cè)坐姿，得到不同的結(jié)果
（四）、如何評(píng)估檢測(cè)結(jié)果的正確性？
看了前文的表述，你或許會(huì)很緊張，怎么能夠保證每一個(gè)測(cè)試的坐姿都是十分之高貴呢？是否每一項(xiàng)測(cè)試都須要親力親為呢？
雖然是有好多小技巧去判定測(cè)試結(jié)果是否可信的，在電源的測(cè)試中，會(huì)有好多小的子項(xiàng)目的測(cè)試，子項(xiàng)目之間實(shí)際上有關(guān)聯(lián)的，悉心的你定能“火眼金睛”的看出報(bào)告里的隱情。
繼續(xù)前文圖7的測(cè)試結(jié)果，開(kāi)關(guān)噪聲由于沒(méi)有被混頻器濾除有殘留，殘留被疊加到輸出電流上產(chǎn)生噪聲。所以，往后溯源很容易找到噪聲的源頭，而圖7的測(cè)試報(bào)告里，發(fā)覺(jué)由開(kāi)關(guān)管輸入到電感的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電流訊號(hào)的過(guò)沖和下沖算是比較好的（如圖8），不可能引起這么大的輸出噪聲，這是理直氣壯地指責(zé)測(cè)試方式有問(wèn)題的按照。
圖8、BUCK電路中，與電感之間的開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（)的電流波形
假如你是一位測(cè)試人員，在測(cè)試時(shí)須要做好自檢的工作，防止后續(xù)何必要的返工，以下思路供參考。
電感是一個(gè)很強(qiáng)的幅射源，開(kāi)關(guān)噪聲不但通過(guò)傳導(dǎo)也會(huì)以空間幅射的方式，往外充溢。為了防止空間中幅射的噪聲對(duì)測(cè)結(jié)果的欺騙，可有以下兩個(gè)對(duì)策來(lái)應(yīng)對(duì)。
1）、在測(cè)試時(shí)，探棒可嘗試不同的坐姿，選擇一個(gè)空間幅射對(duì)測(cè)試結(jié)果影響最小的坐姿。
2）、對(duì)測(cè)試結(jié)果的交叉驗(yàn)證可以降低錯(cuò)誤結(jié)果發(fā)生。輸出電流上的開(kāi)關(guān)噪聲，實(shí)際上和是有對(duì)應(yīng)關(guān)系的。
的邊緣振鈴?fù)ǔo(wú)法被輸出混頻器處理掉，最終表現(xiàn)為輸出電流上的開(kāi)關(guān)噪聲。假如輸出電流上的開(kāi)關(guān)噪聲很大，而且的邊緣振鈴卻不顯著，則說(shuō)明你所測(cè)試到的噪聲很可能是來(lái)自空間中的幅射，此時(shí)可動(dòng)一動(dòng)探棒與PCB板子的傾角，努力將接收到的空間幅射減少到最小。
二、電源噪聲的處理
前文詳盡闡釋了雜訊的組成、紋殃及噪聲的形成機(jī)理、如何正確地檢測(cè)雜訊、如何交叉驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果確保報(bào)告的可靠性等等。測(cè)試是為了發(fā)覺(jué)問(wèn)題，預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)，包括已知的以及潛在的。若果是光測(cè)試而不解決問(wèn)題等于是耍流氓。接出來(lái)，我們來(lái)談一談怎樣解決雜訊相關(guān)的問(wèn)題，以BUCK電路為例。
圖9、BUCK的原理模型
開(kāi)關(guān)電源的LC混頻器幾乎是沒(méi)有減少雜訊份量的能力的，由于基極是脈動(dòng)電壓流過(guò)輸出電容，在電容的ESR上造成的壓降。所以，假若須要增加集電極電流，就須要增加電容的ESR，可以選用LOWESR的電容，也可以多個(gè)電容并聯(lián)來(lái)增加ESR。而且凡事都不是絕對(duì)的，假如占空比電流早已可以符合負(fù)載的需求了，就不要去追求完美了，非常是使用疊加電容的手段來(lái)減少雜訊，過(guò)大的輸出電容是有副作用的。
開(kāi)關(guān)電源的LC混頻器對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)形成的邊緣噪聲更是無(wú)能為力，開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)形成更高頻的紋波，最大的弊端是對(duì)EMC性能導(dǎo)致負(fù)面影響。
開(kāi)關(guān)噪聲與開(kāi)關(guān)波形的上升/增長(zhǎng)時(shí)間以及路徑上的寄生電感息息相關(guān)，寄生電感的改善比較麻煩，與設(shè)計(jì)相關(guān)，也和芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)及性能相關(guān)。通常比較常采用的方式是增加開(kāi)關(guān)訊號(hào)的上升與增長(zhǎng)時(shí)間，這樣做的副作用是降低了開(kāi)關(guān)過(guò)程中的交越導(dǎo)通耗損，在一定程度上減少了電源的效率。
所以，優(yōu)化輸出紋殃及噪聲性能實(shí)際上是在找尋一個(gè)平衡點(diǎn)，我們須要有全局意識(shí)，切不可為了某一個(gè)單項(xiàng)的指標(biāo)而“不折手段”。
1）、外置的開(kāi)關(guān)斜率調(diào)整
圖10、外置，基極串聯(lián)內(nèi)阻調(diào)整開(kāi)關(guān)斜率
假如開(kāi)關(guān)電源的是內(nèi)置的電源電流過(guò)大電壓波動(dòng)，可嘗試用一個(gè)小阻值與基極串聯(lián)，但這對(duì)開(kāi)通和關(guān)斷電流均有影響，假如的關(guān)掉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則有上下管直通的風(fēng)險(xiǎn)。
因而，通常的原則是“打開(kāi)慢一些，電壓變化都會(huì)緩一些，由寄生電感形成的振鈴也都會(huì)小一些；關(guān)掉的時(shí)侯利索一些，不能讓另左側(cè)的管子等待太久”。假如打開(kāi)與關(guān)掉的斜率難以協(xié)調(diào)，不妨嘗試配置不同的載流子阻值，之后使用三極管進(jìn)行隔離，如圖11。
圖11、外置，基極串聯(lián)內(nèi)阻分別調(diào)整上升與增長(zhǎng)斜率
2）、內(nèi)置的開(kāi)關(guān)斜率調(diào)整
集成度高的DC-DC變換器已將集成，所以我們難以通過(guò)基極串內(nèi)阻的方法來(lái)緩解開(kāi)關(guān)斜率。在這些情況電源電流過(guò)大電壓波動(dòng)，若果上管是N-的話，芯片會(huì)有一個(gè)的管腳（BOOT）。可以使用一個(gè)小阻值（一般為10~20歐姆）與驅(qū)動(dòng)級(jí)（BOOT）的耦合電容串聯(lián)，這在一定程度上可以緩解開(kāi)關(guān)的斜率，如圖12所示。
圖12、集成，BOOT管腳串聯(lián)內(nèi)阻調(diào)整開(kāi)關(guān)斜率
3）、開(kāi)關(guān)噪聲的吸收
在設(shè)計(jì)中建議預(yù)留緩沖電路（）的位置，與下管或則續(xù)流晶閘管并聯(lián)。
設(shè)計(jì)無(wú)明晰的估算公式，由于板子的寄生參數(shù)及環(huán)境千差萬(wàn)別，所以基本上是靠實(shí)際調(diào)試和逐漸迫近。以下調(diào)試的套路，僅供參考：
圖13、的調(diào)試
1、測(cè)量未接電路時(shí)的振蕩訊號(hào)周期（1/fo);
2、將高頻電容（Co）跨接在要吸收的元件上，確定電容的值，緩解振蕩使周期是原先周期的三倍;
3、確定電容以后，與電容串聯(lián)的阻值可用以下公式大概推算：
有好多R和C的組合可以形成滿意的波形，但上述R和C的選值應(yīng)當(dāng)形成最小的耗損和最有效的療效。同時(shí)，防止電路對(duì)開(kāi)關(guān)波形的損傷。
4）、攔截開(kāi)關(guān)噪聲
不管采用何種舉措，開(kāi)關(guān)噪聲終究是難以回避的。為了降低系統(tǒng)的整體噪聲，不得不采用圍追阻截的舉措。
首先，在電源的“入口”阻擋（例如安放一粒100nF的旁路電容）；
之后，在電源系統(tǒng)的內(nèi)部盡量減小噪聲（緩解開(kāi)關(guān)斜率、安裝電路、減小寄生參數(shù)等）；
最后在“出口”處，盡可能做好攔截（降低LC或Bead-C混頻器）。
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