張 倩，韓 慧，王 柯

（中國重汽集團(tuán)技術(shù)發(fā)展中心汽車電子設(shè)計(jì)部，山東 濟(jì)南 250101）

對(duì)于電子產(chǎn)品來說，唯一不可缺少的是電源。電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，其性能的優(yōu)劣將直接影響到設(shè)備的工作性能和使用壽命。目前常用的直流穩(wěn)壓電源包括線性電源和開關(guān)電源。其中，線性電源輸出穩(wěn)定，自身的干擾和噪聲都很小，但是由于工作頻率較低 （一般在35%左右），內(nèi)部功率調(diào)整管總是工作在放大狀態(tài)，發(fā)熱量大，而且整體體積大，對(duì)輸入電壓范圍要求高。

開關(guān)電源相對(duì)于線性電源來說，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，其內(nèi)部關(guān)鍵功率器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，在電壓調(diào)整時(shí)能量是通過電感線圈來臨時(shí)儲(chǔ)存的，損耗很小，因此效率高 （可達(dá)90%以上），在很多場合已經(jīng)替代了線性電源，成為電源發(fā)展的趨勢。但是，隨著功率器件高頻開關(guān)的作用，在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與高頻開關(guān)同頻率的紋波，使得電壓電流調(diào)整率有了一定的折扣，這是開關(guān)電源最大的弊端。因此，如何把輸出紋波降低到可以忍受的程度，成為保證開關(guān)電源電路可靠性的首要任務(wù)。

1 紋波的產(chǎn)生和危害

紋波就是疊加在直流電壓中的交流分量。直流電壓本來應(yīng)該是一個(gè)固定的值，但是很多時(shí)候是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不干凈，就會(huì)有剩余的交流成分，連接示波器，就會(huì)看到這個(gè)圍繞直流輸出電壓上下來回波動(dòng)的周期性信號(hào)，就像水紋一樣，顧名思義叫做紋波。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它的周期和振幅不是定值，隨時(shí)間而變。不同電源的紋波波形不同，同樣的電源，在不同的環(huán)境中，紋波也會(huì)有差別。

對(duì)于開關(guān)電源，輸出紋波是有規(guī)律的，這是由于電流流過輸出電容，在電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR）上所引起的壓降，開關(guān)電源中不斷有脈動(dòng)的電流流經(jīng)電容，所以它的紋波等于開關(guān)頻率。

紋波的危害有很多，例如紋波電壓高了，有可能使電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波、調(diào)制等，干擾正常的工作狀態(tài)；降低電源的效率；影響數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響正常工作。較強(qiáng)的紋波會(huì)導(dǎo)致浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致用電器燒毀。

一般實(shí)驗(yàn)中，采用示波器的AC耦合，就可以比較準(zhǔn)確地測量紋波，具體方法如下。

1）接通示波器開關(guān)，選取測試通道。

2）電壓探頭一端連接示波器選取的通道上，另一端連接到待測電源芯片的輸出端。

3）按下選取通道的菜單鍵，在屏幕下方從左往右依次選擇交流 （AC）耦合；20 MHz帶寬。

4）通過調(diào)節(jié)示波器觸發(fā)時(shí)間，找到合適的紋波波形。

5）點(diǎn)擊光標(biāo)測量，讀取紋波電壓值。

2 降低輸出紋波的方法

由于紋波是脈動(dòng)電流流過輸出電容，在電容的ESR上引起的壓降，所以，如果要降低紋波電壓，可以優(yōu)先考慮降低電容的ESR。實(shí)際應(yīng)用中，可以選用低ESR的輸出電容，或者多個(gè)電容并聯(lián)來降低ESR，例如采用鋁電解電容并聯(lián)低ESR的陶瓷電容。

通常情況下，降低輸出電容的ESR，但紋波電壓仍然改善不大，就只能通過PCB布板和走線來解決。通常情況下，PCB布板和走線遵循以下原則。

1）按電路模塊進(jìn)行布局，實(shí)現(xiàn)同一功能的相關(guān)電路稱為一個(gè)模塊，電路模塊中的元件應(yīng)采用就近集中原則，同時(shí)數(shù)字電路和模擬電路分開。

2）定位孔、固定孔、固定螺釘周圍一定距離內(nèi)不得貼裝元件。

3）元器件下方避免布置過孔，防止焊接時(shí)過孔與元件殼體短路；貼片焊盤上不能有過孔，防止焊接時(shí)焊錫流失，造成元件虛焊。

4）元件金屬殼體和金屬件不能與其他元件接觸，不能緊貼印制線、焊盤。

5）發(fā)熱元件不能緊鄰導(dǎo)線和熱敏元件，高熱器件要均勻分布，且焊盤下面增加散熱過孔或者搭鐵面積，保證散熱。

6）對(duì)一些高頻信號(hào)線，進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)注意輸入輸出邊線避免平行，防止產(chǎn)生反射干擾，必要時(shí)加搭鐵線隔離。

7）電源線與搭鐵線應(yīng)盡可能呈放射狀，信號(hào)線注意盡量不要形成環(huán)路，以免環(huán)路干擾。

對(duì)于開關(guān)電源電路來講，PCB布板在遵循常規(guī)原則的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)更加講究，可以說好與壞的PCB布局，是影響紋波的關(guān)鍵因素。本文應(yīng)用一個(gè)實(shí)際開關(guān)電源電路PCB改善設(shè)計(jì)，來闡述PCB布板對(duì)于降低紋波有重要影響。

本設(shè)計(jì)應(yīng)用MPS公司MPQ4560汽車級(jí)集成高頻開關(guān)電源管理芯片，其功能模塊圖如圖1所示。輸入電壓范圍3.8～55 V，最大負(fù)載電流2 A，內(nèi)部開關(guān)采用功率級(jí)N-MOSFET場效應(yīng)管，具備負(fù)載調(diào)節(jié)和超過95%的高效率，開關(guān)頻率1 MHz，保證了電壓調(diào)整器的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖1 MPQ4560功能模塊圖

本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用此芯片設(shè)計(jì)的車載24 V轉(zhuǎn)5 V開關(guān)電源電路，如圖2所示。

圖2 本設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路圖

電路主要由供電輸入、開關(guān)控制、反饋調(diào)節(jié)組成。供電輸入部分使用芯片VIN引腳，外部24V穩(wěn)壓輸入，給芯片所有內(nèi)部控制電路，包括電壓調(diào)節(jié)器和高邊MOSFET開關(guān)。同時(shí)，使用2個(gè)較低ESR值的旁路陶瓷電容C2、C3并聯(lián)鋁電解電容C1，既利用了鋁電解電容容量大的特性，也彌補(bǔ)了鋁電解電容抑制高頻噪聲和ESR方面的不足，更好地滿足對(duì)輸入電壓的濾波；開關(guān)控制部分使用芯片SW引腳，由內(nèi)部功率級(jí)N-MOSFET輸出，外接電感L1、輸出電容C5、穩(wěn)壓二極管D1，當(dāng)芯片內(nèi)部N-MOSFET導(dǎo)通時(shí)，VIN通過電感L1提供VOUT，給負(fù)載供電，此時(shí)電感L1兩端保持左正右負(fù)的正電壓；當(dāng)MOSFET斷開時(shí)，電感L1通過本身自感，與電容C5、穩(wěn)壓二極管D1構(gòu)成電流回路，繼續(xù)向負(fù)載提供VOUT，同時(shí)，SW與BST之間需要連接旁路電容C4；反饋調(diào)節(jié)部分由外部分壓電阻R2和R3根據(jù)公式計(jì)算，確定輸出電壓VOUT為5 V。

本設(shè)計(jì)電路PCB布板如圖3所示。

圖3 PCB布板

針對(duì)此電路，在PCB布板時(shí)，設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：① 實(shí)現(xiàn)同一功能的模塊電路，就近集中放置，且盡量靠近芯片相關(guān)引腳；同一模塊之間的連接，盡量采用大的敷銅連接，增強(qiáng)散熱性能，使芯片引腳盡快冷卻，保證使用可靠性。② 供電輸入模塊中，濾波電容平行排列，靠近VIN引腳，可以增加濾波效果，減少EMI（電磁干擾）。③ 開關(guān)控制電路中，輸出電容C5、穩(wěn)壓二極管D1與芯片搭鐵直接敷銅連接，PCB頂層空間有限的話，采用底層大面積敷銅，使搭鐵相連。④為了降低輸出電壓ESR，在輸出電容C5旁邊，并聯(lián)陶瓷電容C6。⑤ 反饋調(diào)節(jié)元件R3和R4盡可能靠近FB引腳，連接線路盡量短和直接，反饋線路要盡量遠(yuǎn)離感性元件 （電感L1），避免干擾，電路中將反饋線路選擇走PCB底層。同時(shí)，開關(guān)控制電路為高頻電路，反饋輸出的走線也要遠(yuǎn)離SW。

3 紋波測試結(jié)果

按照上述設(shè)計(jì)PCB布板，外部24 V穩(wěn)壓輸入，用示波器對(duì)輸出紋波進(jìn)行測量，結(jié)果如圖4所示。

圖4 紋波測試結(jié)果

如圖4所示，VOUT輸出電壓紋波為10 mV，相比較前期未按照上述方法設(shè)計(jì)的PCB布板，紋波單邊幅值已達(dá)到50 mV左右，紋波已經(jīng)大大降低。

因此，對(duì)于開關(guān)電源電路，合理的PCB布板設(shè)計(jì)，確實(shí)可以大大降低輸出電壓紋波。