如何减小DCDC的纹波?

1.明确DCDC输出纹波主要来源于哪里

以最典型的BUCK降压DCDC为例,输出纹波主要由三部分组成:

所以减小纹波的核心就是:

减小电感纹波电流、降低输出电容ESR/ESL、优化布局、降低高频开关噪声耦合。

2.增大输出电容

最直接的方法是增加输出电容容量。

输出电容越大,输出电压的充放电波动越小:

增加输出电容总容量、采用多个电容并联、使用低ESR陶瓷电、固态电容、钽电容等

3.选用低ESR、低ESL电容

DCDC输出纹波中,很多时候ESR造成的纹波占比很大:

所以应该优先选择:

低ESR陶瓷电容、多颗MLCC并联、大电容+小电容组合。

大电容滤低频、小电容滤高频。

常见做法:

复制代码
DCDC输出端:10uF / 22uF / 47uF 大电容
靠近负载端:0.1uF / 1uF 高频去耦电容

4.增大电感值,减小电感纹波电流

电感纹波电流越小,输出纹波越小

BUCK电路中电感纹波电流大致为:

但是不能盲目增大电感:

  • 电感太大,动态响应会变慢

  • 体积和成本增大

  • 饱和电流要足够大

  • DCR过大会增加损耗和压降

一般设计时,电感纹波电流常取输出电流的20%~40%左右。

5.提高开关频率

提高DCDC的开关频率fs,可以减小纹波

开关频率越高,输出电容和电感可以更小,纹波也更容易滤除

但也有缺点:

  • 开关损耗增大

  • 发热增加

  • EMI问题可能更严重

  • 对PCB布局的要求很高

所以提高频率要综合效率、温升和EMI设计

6.优化PCB布局

  1. 输入电容要靠近芯片VIN和GND:输入电容离芯片太远,会导致开关电流回路变大,引入尖峰和振铃。

  2. SW节点面积尽可能小:SW节点是高dv/dt、高噪声节点,面积越大辐射和耦合越大的。

  3. 功率回路面积要小 :输入电容→开关管→电感→输出电容→地,短、粗、紧凑

  4. 反馈线远离SW节点:FB反馈线是高阻抗敏感节点,不能靠近电感、SW节点、大电流走线。反馈采样点应取在输出电容后端,必要时用开尔文Kelvin采样。

7.加LC或π 型后级滤波

DCDC输出→磁珠/电感→电容→负载 LC滤波

DCDC输出→电容→磁珠/电感→电容→负载 π 型滤波

但是要注意LC滤波可能引入谐振,必要时加阻尼电阻或选择合适的ESR的电容。

8.对特别敏感的电路,DCDC后面再接LDO

模拟电路中很常见的做法

DCDC负责高效率降压,LDO负责进一步降低纹波和噪声。

例如:

复制代码
12V → DCDC降到5V → LDO降到3.3V模拟电源

优点:

  • 纹波更低

  • 模拟电源更干净

  • 对ADC精度更好

缺点:

  • 效率降低

  • LDO有压差要求

  • 发热增加

9.加RC Snubber 抑制SW节点振铃

如果示波器上看到输出纹波中有很尖的高频毛刺,可能不是普通低频纹波,而是SW节点振铃耦合过来的高频噪声。

可以在SW节点加RC Snubber:

复制代码
SW → R → C → GND

它的作用是吸收高频振铃,降低 EMI 和尖峰噪声。

但RC Snubber会增加功耗,需要根据实测波形调参数,不能随便加。

10.测量方法也会影响纹波

  • 用示波器测量纹波时,应该使用接地针(探头弹簧地)

  • 探头靠近输出电容两端测量

  • 示波器带宽限制在20MHz看低频纹波

  • 关闭带宽限制看高频纹波

  • AC耦合模式

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