电源纹波是指叠加在直流电源输出的电压或电流中的交流成分,它是一种周期性的波动信号。一种错误的认识是我们平常看到的输出电压的波动就是纹波,其实输出电压的波动不全是纹波,还包括了噪声、负载波动、线损等等,原来我之前一直都看错它了,如果你也是,请在评论区扣个1。如图1所示的输出电压中既包含了纹波,同时也包含了高频噪声。

图1 输出电压中的纹波和噪声
在说线性电源的纹波之前,先来简单的介绍一下线性电源的工作原理。

图2 线性电源工作原理示意图
如图2所示,如果供电电压为12V,负载所需要的工作电压是5V,那么只需要调节电源的内阻,使其内阻上的分压值为7V,就可以使负载获得5V的电压了。但是这样就会有一个问题,就是当负载变化时,负载电阻将不再是5Ω,如果电源内阻还是保持不变的话,此时负载两端的电压就不再是5V了,不能保证输出电压的稳定。为了解决这一问题,聪明的设计人员设计了一个反馈电路,它可以实时的监控输出的变化,并通过反馈及时调整电源内部所分去电压的大小,就像一个可变的分压电阻。有了这个“可变的分压电阻”,线性电源就可以保证输出电压的稳定了。这个“可变的分压电阻”可以通过图3所示的电路来实现。

图3 线性电源内部的“可变分压电阻”
通过线性电源的原理可知,供电装置提供的电压除了用在负载上外,其余的部分全部都消耗在线性电源内部了。线性电源的调整管工作在放大区,因此发热量很大,电源的效率低。但相对于开关电源,它拥有更小的纹波,可以做到5mV以下。
从原理上来讲,线性电源并不产生纹波,那线性电源的输出电压纹波是哪里来的呢?
线性电源的纹波一般来自于前级的电路,或者是工频50Hz变压器。它纹波的频率一般为50Hz或者50Hz的整数倍,因此比较容易滤除。
线性电源的一个重要参数——电源抑制比。
电源抑制比即PSRR,是衡量电路对电源的纹波干扰抑制能力的参数。线性电源不仅不会产生纹波,反而是对前级输入电压的纹波有抑制作用,如下图4所示。

图4 线性电源对于纹波的抑制作用
电源抑制比的计算公式为:
其中,Vrp(in)表示输入电压的纹波,Vrp(out) 表示输出电压的纹波。如果一个线性稳压器的电源抑制比为60dB ,则输入电压有1V的纹波时,输出电压纹波只有1mV。
电源抑制比(PSRR)通常被误认为是一个固定值,而事实上它的大小是受到纹波的频率影响的,如果纹波频率较高,则线性电源对于纹波的抑制作用会减弱,如图5所示。

图5 电源纹波抑制比与纹波频率的关系
开关电源的纹波是开关电源固有的特性,与输入级电压无关,即使输入电压没有波动,开关电源的输出也会有纹波。开关电源的基本原理如图6所示。
图6 开关电源基本原理
开关电源在工作时,内部的调整管(一般为MOS管)不断地在饱和导通与关断之间来回的切换,前面的文章在讲MOS管时,我们知道MOS管由于寄生参数的存在,开关切换的过程中不可避免的会产生电压的振荡和冲击电流,这将导致开关电源输出电压的波动,即纹波电压。
开关电源的纹波抑制方法一般有:在开关电源的输出端并联电容、在开关电源的输出端串联一个电感,将开关电源输出端的纹波电流进行消耗和分离等。