减少纹波和噪声电压的措施有哪些？

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减少纹波和噪声电压是电源设计、模拟电路设计和高精度系统设计中的关键目标。以下是一些行之有效的措施，分类以便理解：

一、 电源设计与元件选择

1. 增大滤波电容：
   
   
   
   • 原理： 电容通过充放电作用平滑输出电压。更大的电容值能存储更多电荷，在负载瞬变或整流间隙时提供更稳定的电压。
   
   
   • 应用： 主要在整流输出端（如桥式整流后）和稳压器输入/输出端。常用铝电解电容、钽电容。
   
   


2. 使用低ESR/ESL电容：
   
   
   
   • 原理： 等效串联电阻会增加电容在高频下的损耗，降低滤波效果；等效串联电感会限制电容的高频响应。
   
   
   • 应用： 在噪声敏感的关键位置（如LDO输出、IC电源引脚）并联多个低ESR陶瓷电容代替或补充电解电容。通常组合使用不同容值（如10uF + 0.1uF + 10nF）以覆盖更宽频段。固态电容也是低ESR的良好选择。
   
   


3. 增加LC滤波：
   
   
   
   • 原理： 电感阻碍电流突变，电容滤波电压。LC组合形成低通滤波器，有效衰减开关噪声和高频纹波。
   
   
   • 应用： 在开关电源输出端、稳压器输入/输出端添加π型或L型LC滤波器。电感选择需考虑直流电阻、饱和电流及自谐振频率。
   
   


4. 优化稳压器设计：
   
   
   
   • 线性稳压器： 选择高PSRR的LDO。虽然效率低于开关电源，但LDO能有效抑制输入端的纹波和噪声（前提是输入电压足够高且压降不大）。
   
   
   • 开关稳压器：
     
     
     
     • 选择合适的拓扑结构（如Buck, Boost, Buck-Boost）。
     
     
     • 优化开关频率：更高频率允许使用更小的电感和电容，但需注意开关损耗和高频噪声增加。有时降低频率反而利于控制EMI。
     
     
     • 优化控制环路补偿：确保环路稳定，避免振荡引入噪声。
     
     
     • 选择同步整流拓扑：替代二极管整流，减少整流管导通压降和反向恢复引起的噪声。
     
     
   
   


5. 添加旁路/去耦电容：
   
   
   
   • 原理： 为每个IC的电源引脚就近提供低阻抗的本地储能，吸收IC工作时产生的瞬态电流需求，防止其通过电源线传播形成噪声。
   
   
   • 应用： 在每个IC电源引脚（通常是Vcc和GND之间）就近放置小容量（如0.01uF~0.1uF）低ESL陶瓷电容。大容量去耦电容（如1uF~10uF）可放置在稍远位置为多个IC服务。
   
   


6. 使用高质量二极管（开关电源中）：
   
   
   
   • 原理： 普通整流二极管在反向恢复时会产生尖峰噪声和EMI。肖特基二极管反向恢复时间极短，恢复电荷少，能显著降低这种噪声和损耗。
   
   
   • 应用： 开关电源输出整流、续流二极管位置。
   
   

二、 PCB布局与布线

7. 优化电源回路面积：
   
   
   
   • 原理： 电流环路（尤其是开关电源的高di/dt环路）相当于天线，面积越大，辐射磁场越强，耦合到其他线路的噪声越大。
   
   
   • 措施： 使高频电流路径（如开关管-电感-输出电容回路；输入电容-开关管回路）尽可能短且宽。使用大面积铺铜（电源平面、地平面）代替细线。
   
   


8. 使用大面积接地平面：
   
   
   
   • 原理： 提供低阻抗的返回路径，减少接地噪声压降，屏蔽噪声。
   
   
   • 措施： 多层板设计中优先使用完整地层。单/双层板也应尽可能大面积连通地线。避免地线形成细长环路。
   
   


9. 电源和信号分离：
   
   
   
   • 原理： 防止大电流电源线上的噪声耦合到敏感的信号线。
   
   
   • 措施： 电源走线和信号走线分开布局布线。避免平行长距离走线。必要时在两者之间铺设地线进行隔离。
   
   


10. 敏感节点远离噪声源：
    
    
    
    • 原理： 减少电磁耦合。
    
    
    • 措施： 将高精度ADC基准源、小信号放大电路、时钟电路等远离开关电源模块、继电器、大功率器件及其散热器、高频数字信号线。
    
    


11. 缩短关键引线：
    
    
    
    • 原理： 引线具有寄生电感和电容，是天线也是滤波器元件，可能引入振荡或耦合噪声。
    
    
    • 措施： 旁路/去耦电容、反馈网络电阻等关键元件必须就近连接到IC引脚。反馈采样点应靠近负载点。
    
    

三、 滤波与屏蔽

12. 添加铁氧体磁珠：
    
    
    
    • 原理： 在特定频率（通常MHz以上）呈现高阻抗，吸收高频噪声能量转化为热能。常与电容配合形成低通滤波器。
    
    
    • 应用： 串接在电源线上（进入敏感模块前），或串接在信号线上抑制高频噪声。
    
    


13. π型滤波或T型滤波：
    
    
    
    • 原理： LC电路的增强形式，提供更陡峭的滤波滚降特性。
    
    
    • 应用： 对电源输入/输出或信号线进行更严格的滤波。
    
    


14. 共模电感：
    
    
    
    • 原理： 抑制电源线上（火线与零线之间）同相位的共模噪声电流。
    
    
    • 应用： 常用于开关电源输入EMI滤波器的设计中。
    
    


15. 屏蔽：
    
    
    
    • 原理： 物理隔离噪声源和敏感电路。
    
    
    • 措施： 对特别强的噪声源（如开关电源模块）或特别敏感的电路（如微弱信号放大）使用导电屏蔽罩（法拉第笼），并将其良好接地。使用屏蔽电缆传输敏感信号。
    
    

四、 其他系统级措施

16. 良好散热：
    
    
    
    • 原理： 过热可能导致元件性能劣化（如电容ESR增大、稳压器纹波抑制能力下降），甚至引发热噪声增加。
    
    
    • 措施： 保证电源器件（特别是开关管、二极管、电感、线性稳压器）有足够的散热面积（散热片、PCB铜箔散热）。
    
    


17. 选择低噪声元件：
    
    
    
    • 原理： 电阻（金属膜优于碳膜）、运放、基准源等本身存在固有噪声（热噪声、1/f噪声）。
    
    
    • 措施： 在低噪声放大、精密ADC/DAC等电路中，选用低噪声器件。
    
    


18. 隔离：
    
    
    
    • 原理： 切断地环路或噪声传导路径。
    
    
    • 措施： 对于数字地和模拟地，通常采用单点连接。在需要电气隔离的场合（如传感器接口），使用光耦、隔离放大器或隔离DC-DC模块。
    
    

五、 测量与分析

19. 正确测量：
    
    
    
    • 原理： 不正确的测量方法会引入额外噪声或看不到真实噪声。
    
    
    • 措施：
      
      
      
      • 使用带宽足够的示波器（最好≥100MHz）。
      
      
      • 使用短接地弹簧代替长鳄鱼夹接地线（避免形成环路天线）。
      
      
      • 示波器探头带宽足够且设置正确（如1:1或10:1衰减档位）。
      
      
      • 在测量点就近良好接地。
      
      
      • 必要时使用差分探头测量纹波/噪声。
      
      
    
    

总结

减少纹波和噪声是一个系统工程，需要综合运用以上多种措施。没有单一“银弹”。

• 电源拓扑和元件选择是基础。


• PCB布局布线是成败的关键。


• 恰当的滤波和去耦是必需的补充。


• 系统级考虑（如屏蔽、接地策略）常常能解决棘手问题。

在设计之初就充分考虑纹波噪声抑制，远比后期调试整改要容易得多。理解噪声的来源（开关动作、di/dt, dv/dt、地弹、耦合等）和传播路径（传导、辐射）是选择合适对策的前提。使用仿真工具（如电源环路仿真、电磁场仿真）也能在设计阶段预测和优化性能。