降低电源纹波的应用实例分析

1、问题提出

在某单板中，1.0V电源采用的电源芯片为LM21305，为开关型DC/DC。单板测试时发现1.0V上的电源纹波约为12.0mV，虽然纹波的绝对值不大，且单板运行正常。但是，纹波值达到的电压值的1.2%，为了更使单板更加稳定，试图找出影响纹波的主要原因，并将纹波值减小。

图1 1.0V电源上的纹波值

2、问题分析解决

先看一下单板上原有参数下的计算值：

（1）芯片开关频率

由于芯片的开关频率可编程，可通过电阻进行配置，其相对应的关系如下：

式中，R=110K，理论可得F=451KHz，考虑到实际电阻误差，根据示波器测得实际开关频率F=464KHz.

（2）脉动电流峰峰值

将F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A

（3）纹波电压

此单板中输出电容是钽电容和陶瓷电容的组合，输出电容约为240μF。

根据厂家提供的信息，钽电容的ESR最大约为25mΩ，陶瓷电容未提供ESR值。陶瓷电容的ESR值较低，那么按照25mΩ计算可得

ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV

由于两部分纹波电压不同相，因此总的纹波电压小于20.58mV。

通过计算两部分纹波电压可看出，1.0V上的纹波电压主要的影响因素是脉动电流在电容的ESR上产生的纹波电压。那么，要降低这一部分的纹波电压，就要改变开关频率、输出电容以及电感中的一个或几个参数值。由于单板中的输出电容是钽电容，其ESR值已经比较小了，选用其他类型电容的优势不明显，另一方面，受封装、库存及负载电流的限制，电感值也不太好更换。相对来说，器件的开关频率容易改变，只需改变电阻值就可。根据前面的分析，提高开关频率可降低脉动电流的值，也就可以降低纹波电压的值。

将开关频率配置电阻改为56K，理论可得F=827.9KHz，考虑到实际电阻误差，根据示波器测得实际开关频率约为F=854KHz。同时将L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A

同样可计算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV

经过对比，开关频率的提高对降低纹波电压的效果明显。

通过计算和测量可看出，两者之间有一定的数据差距。这主要是计算中的数据有一些是近似值，另一方面测量的结果也有一定的误差。但是这并不影响我们评估纹波电压产生的主要渠道以及影响纹波电压的主要因素，并通过实践来评估效果。

更改开关频率后测得的纹波电压如下图：

图2 更改开关频率后1.0V电源上的纹波值

经验总结

纹波是板上电源一个很重要的参数，如何将纹波在合理的设计下降至最低是每个电源电路需要重点考虑的。虽然各种开关电源的设计参数不同，但是影响纹波的因素基本上都有开关频率，滤波电感，输出电容，那么减小纹波电压的过程其实也就是对上述几个参数进行匹配选择的过程。

1 开关频率，此值越大，可将脉冲电流值降低，也就可以减小纹波电压。但是频率越高，也就对单板产生越大的干扰，对EMI会有一定的影响。

2 电感，需要根据实际情况下的负载电流值及开关频率来选择，在合理的选择区间内选择较大的电感可降低脉动电流。

3 输出电容，需要选择低ESR和高容量的器件。并且优先选择温度特性好的电容，这样可使得温度变化大的环境下纹波值不至于过大。

壹芯微科技专注于“二,三极管、MOS(场效应管)、桥堆”研发、生产与销售，21年行业经验，拥有先进全自动化双轨封装生产线、高速检测设备等，研发技术、芯片源自台湾，专业生产流程管理及工程团队，保障所生产每一批物料质量稳定和更长久的使用寿命，实现高度自动化生产，大幅降低人工成本，促进更好的性价比优势！选择壹芯微，还可为客户提供参数选型替代，送样测试，技术支持，售后服务等，如需了解更多详情或最新报价，欢迎咨询官网在线客服！

手机号/微信：13534146615

QQ：2881579535