在当今的电子设备中，开关电源（SMPS）由于其体积小、效率高等优点，在通信设备等领域得到了广泛的应用。然而，输出电压纹波和噪声的问题一直是开关电源设计中需要重点关注的方面。本文将深入探讨 SMPS 的拓扑、寄生电流和 PCB 走线对纹波和噪声的影响，并介绍有效的抑制方法。
从本质上来说，狭义的纹波电压是指输出直流电压中含有的工频交流成分。在实际的电源设计中，直流电压通常是通过交流电压经过整流、滤波后得到的。由于滤波电路无法做到完全滤波，输出电压中仍会存在一定的脉动交流成分，这就是纹波电压。通常，稳压电源由整流电路、滤波电路和稳压电路三部分构成。整流电路将交流电转换为脉动的直流电，但其中包含大量交流成分；滤波电路虽然能滤去大部分交流成分，但仍无法彻底消除；稳压电路可使纹波电压大大降低，但依然不能完全滤除，降低的倍数反比于稳压系数 S。
SMPS 的输出噪声可分为纹波和噪声。纹波是开关电源充放电时输出电压的波动，其波形描述了输入输出电容器充放电的结果，在负载时波动极大。噪声则是发生在基频平均值的尖峰，通常称为 RMS 噪声。高频噪声尖峰出现在 SMPS 的开通和关断时刻，可由示波器准确测试到。尽管噪声的重复频率由 SMPS 的开关频率决定，但通常此频率包含的噪声尖峰频率高于开关频率，其幅值大小由 SMPS 的拓扑、寄生电流和 PCB 走线决定，且极易受探头和实验结构影响。
- 基频开关输入纹波的抑制：以 Buck 变换器为例，输出电感在开关周期开通期间连接到输入，关断期间与输入断开。当输入电容器电流没有直流成分时，电源和输出电感电流在整个开关周期基本恒定（忽略电感纹波电流）。直流输入电压稳定时，输入电容器在开关导通和关断期间的充放电量相等。纹波大小随输入电压波动，在占空比为 50% 时。为减少输入纹波，可增加电容量或减少输入电容 Cin 的等效串联电阻（ESR）。陶瓷电容器通常具有非常低的 ESR，但对输入电压纹波影响不大。例如，一个 0805 封装 10 μF 10V X5R 电容器在直流 3.6 V 应用中，实际容量约为 4.2 μF，对于 1.8 V 400 mA 的输出负载，输入波纹电压的峰值为 17.4 mV。
- 开关电源输出后增加稳压器：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），能大幅度降低输出噪声，满足对噪声特别有要求的电路需要，输出噪声可达 μV 级。由于 LDO 的压差仅几百 mV，在开关电源的输出略高于 LDO 几百 mV 即可输出标准电压，且损耗不大。同时，在同一块 PCB 上多个模块电源一起工作时，为避免相互干扰使输出噪声电压增加，可采用屏蔽措施或将其适当远离。输出电容一般可采用两只，一只靠近整流管，另一只靠近输出端子，两只小容量电容并联效果优于一只大容量电容，多个电容器并联能改善电容的高频阻抗特性。
在电源设计中，降低纹波的各种方法都利弊共存，需要权衡需要改善的点来选择合适的方案。当然，也可以选择现成的稳定成品电源，其滤波电路、隔离部分等都已高度集成于一体。例如，致远电子基于近二十年的电源设计经验积累，自主研发设计自主电源 IC，打造全工况优选型 DC - DC 电源，能满足所有工况需求，为用户提供稳定、优质的供电解决方案。其 P 系列隔离基于自主研发的开关电源芯片 ZLG1002，相较于传统设计，纹波噪声低至 40mV，为用户打造高可靠性供电环境。还实现了低至 5mA 的静态电流，待机功耗仅为 25mW，可有效降低待机时的能量损失。
