在电子设备的电源供应领域，开关电源凭借其显著的优势得到了广泛应用。与线性电源相比，开关电源（包括 AC/DC 转换器、DC/DC 转换器、AC/DC 模块和 DC/DC 模块）的突出优点是转换效率高，一般可达 80% - 85%，高的甚至能达到 90% - 97%。同时，它采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，使得重量减轻、体积减小。然而，开关电源也存在明显的缺点，由于其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的 1% 左右（低的为输出电压的 0.5% 左右），即使是产品的纹波和噪声电压也有几十 mV；而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也较小，其单位是 μV。本文将详细介绍开关电源产生纹波和噪声的原因、测量方法、测量装置、测量标准以及减小纹波和噪声的具体措施。
纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的并非纯正的直流电压，其中包含的交流成分就是纹波和噪声。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作密切相关。在每一个开、关过程中，电能从输入端被 “泵到” 输出端，形成充电和放电过程，从而导致输出电压的波动，波动频率与开关频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。
噪声的产生主要有两种原因。一种是开关电源自身产生的，这是一种高频的脉冲串，由开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及 PCB 的设计有关。另一种是外界电磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
减小纹波和噪声电压的措施
功率因数校正（PFC）：开关电源除开关噪声外，在 AC/DC 转换器中，输入的市电经全波整流及电容滤波后，电流波形为脉冲，其中的高次谐波会增加噪声输出。良好的开关电源（AC/DC 转换器）会在电路中增加功率因数校正（PFC）电路，使输出电流近似正弦波，降低高次谐波，将功率因数提高到 0.95 左右，减小对电网的污染。
采用多相输出结构：开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑、各部分电路的设计及 PCB 设计有关。采用多相输出结构，可有效地降低纹波输出。如今，开关电源的开关频率越来越高，低的是几十 kHz，一般是几百 kHz，高的可达 1MHz 以上。因此，产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，在电源电路中加无源低通滤波器是减小纹波和噪声简单的办法。
减少 EMI 的措施：可以采用金属外壳做屏蔽，以减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加 EMI 滤波器（也称为电源滤波器）。
在输出端采用高频性能好、ESR 低的电容：采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是选择。这类电容尺寸小而电容量大，高频下 ESR 阻抗低，允许纹波电流大，适用于高效率、低电压、大电流降压式 DC/DC 转换器及 DC/DC 模块电源作输出电容。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容为 68μF，其在 20℃、100kHz 时的等效串联电阻（ESR）值为 25mΩ，的允许纹波电流（在 100kHz 时）为 2400mArms，其尺寸为：7.3mm（长）×4.3mm（宽）×1.8mm（高），其型号为 10TPE68M（贴片或封装）。根据公式 ΔVOUT = ΔIOUT×ESR ，若 ΔIOUT = 0.5A，ESR = 25mΩ，则 ΔVOUT = 12.5mV。而普通的铝电解电容额定电压 10V、额定电容量 100μF，在 20℃、120Hz 时的等效串联电阻为 5.0Ω，纹波电流为 70mA，只能工作于 10kHz 左右，无法在高频（100kHz 以上的频率）下工作，再增加电容量也无效，因为超过 10kHz 时，它已成电感特性。某些开关频率在 100kHz 到几百 kHz 之间的电源，采用多层陶电容（MLCC）或钽电解电容作输出电容的效果也不错，且价位比高分子聚合物固态电解质电容低得多。
采用与产品系统的频率同步：为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同。
避免多个模块电源之间相互干扰：在同一块 PCB 上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的且靠得很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰，可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少相互影响的干扰。例如，用两个 K7805 - 500 开关型模块组成 ±5V 输出电源时，若两个模块靠得很近，输出电容 C4、C2 未采用低 ESR 电容，且焊接处离输出端较远，则有可能输出的纹波和噪声电压受到相互干扰而增加。
增加 LC 滤波器：为减小模块电源的纹波和噪声，可以在 DC/DC 模块的输入和输出端加 LC 滤波器。在选择电容值时，要注意电容量不能过大而造成起动问题，LC 的谐振频率必须与开关频率错开以避免相互干扰，L 采用 μH 极的，其直流电阻要低，以免影响输出电压精度。对于一些小电流、负载相对比较恒定的场景，也可以增加 “RC 滤波”，但 LC 滤波要注意避免谐振。
增加 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。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。
增加有源 EMI 滤波器及有源输出纹波衰减器：有源 EMI 滤波器可在 150kHz - 30MHz 间衰减共模和差模噪声，并且对衰减低频噪声特别有效。在 250kHz 时，可衰减 60dB 共模噪声及 80dB 差模噪声，在满载时效率可达 99%。输出纹波衰减器可在 1 - 500kHz 范围内减低电源输出纹波和噪声 30dB 以上，并且能改善动态响应及减小输出电容。
