摘 要：针对开关直流电源在集成电路测试设备等应用中存在的输出纹波问题，提出一种纹波自适应补偿抑制方法。首先，设计改进型低通滤波器，精准提取低频纹波分量；其次，进一步提出自适应耦合电路，利用时域反射仪定位最优抑制路径；最后，采用自适应四相交错并联倍压整流电路与动态电容调节机制，实现纹波的自适应补偿抑制。实验结果表明，自适应补偿抑制后，纹波峰峰值从86mV降至18mV，降幅达79%，频谱更平滑。100Hz时，100kΩ负载下纹波衰减比达45.2dB，较10kΩ负载提升6.5dB，证明重负载下高频抑制效能更优，提升了电源输出的稳定性和纯净度，为高精度供电系统提供了可行的解决方案。

关键词：开关直流电源；纹波分量；耦合路径；自适应补偿抑制

0 引言

集成电路测试设备的发展对开关直流电源的供电能力与质量提出了更高要求。然而，电源中开关器件的高速开关、寄生参数以及负载动态变化会引入纹波，且输出功率增大时纹波问题更为突出。在集成电路测试设备中，开关直流电源的纹波会影响设备输出的波形质量、精度指标、稳定性指标，导致芯片测试良率下降，严重时还可能导致芯片误测［1］。因此，本文提出了能根据电源运行状态和负载变化自动调整补偿策略的纹波自适应抑制方法，对于提升电源性能及保障测试设备可靠性具有重要意义。

1 提取开关直流电源中的纹波

为精准分离纹波信号，设计改进型低通滤波器：设定通带截止频率为20 Hz 以确保基波通过，阻带截止频率为80 Hz以抑制五次谐波，阻带衰减不低于25 dB 以衰减高频噪声［2］。使用双线性变换法将连续域传递函数离散化，设定采样周期为Ts=5×10-6 s，得到数字滤波器差分方程：

式中：y（n-1）为n-1 时刻滤波器的输出；x（n）为n 时刻滤波器的输入。

改进型低通滤波器投入运行时，串联侧输出电流is 与电网侧电流ig 满足is=ig-ic（ic 为滤波器电流）。根据基尔霍夫电流定律，电容C1 的等效输入电流iC1可表示为：

式中：iL 为负载电流瞬时值。

对iC1进行积分运算，得到电容C1 的纹波电压uC1：

同理，电容C2 的纹波电压uC2通过相同方法获取。假设C1=C2 且忽略线路阻抗影响，则直流母线总电压Udc 为：

式中：U0 为理想直流分量。当串联侧补偿五次谐波电流时，电网侧将产生100 Hz（二次）和200 Hz（四次）电压纹波，完成开关直流电源中纹波的提取。

2 定位开关直流电源纹波的自适应耦合路径

在开关直流电源中，导体间寄生电容形成的耦合通道是噪声传播的关键路径。功率器件高速开关时，电压阶跃产生的瞬态电场经寄生电容在相邻导体间激发位移电流，引发电压波动［3］。解耦电容组中C1 与C2 构成对称式能量缓冲结构，其电压平均值维持为Udc/2，并在直流偏置上叠加相位差180°的二次谐波分量［4］。

设分电容电压基波分量为uo1，uo2，则自适应耦合电路中总电压纹波ur 为：

对式（5）求导，可得自适应耦合电路中分电容电流的瞬时值：

忽略滤波电感的电阻损耗，则解耦支路的瞬时功率为：

在实际工程中，可采用时域反射仪（TDR）定位耦合路径的瞬时功率突变点，当设计值与实测值的偏差超过15%时，即为最优开关直流电源纹波的自适应耦合路径。

3 优化电路实现开关直流电源纹波自适应补偿抑制

为实现纹波自适应补偿抑制，需从电路拓扑优化和耦合路径控制两方面进行协同设计。高频开关噪声耦合传播时，敏感信号线与功率环路按信号类型保持6 mm 或10 mm间距，寄生电容降至0.05 pF/mm以下，电源地与高速信号层间距压缩到0.1 mm内［5］。

为提升纹波补偿精度，采用自适应四相交错并联倍压整流电路，其核心拓扑如图1所示。该结构通过相位差90°的交错控制，使输出电压纹波频率提升至开关频率的4倍，结合动态电容容量调节，实现纹波幅值的指数级衰减。

纹波抑制效果可通过改进型纹波系数γr 量化评估，其定义为纹波电压峰峰值Upp 与输出电压平均值Uj 的归一化比值：

对于N 级倍压整流电路，其理论纹波系数与级数N 的平方成反比。考虑电容等效串联电阻的影响，其实际表达式可修正为：

当采用自适应电容调节时，电容容量Ck 随负载电流Io 动态变化，其控制律满足：

式中：α 为补偿系数；C0 为额定电容容量。通过该机制，在满载条件下可将纹波系数进一步降低至静态设计的1/3以下。在优化电路布局中，输入/输出陶瓷电容应紧贴芯片引脚，同时将功率电感与输出电容构成紧凑结构，使谐振频率偏离开关频率及其谐波，从而实现开关直流电源纹波自适应补偿抑制。

4 实验测试

4.1 实验测试电路

根据实验需求，主电路选LM5041 高集成度PWM 控制器芯片，其集成驱动电路与保护逻辑，搭配BSC014N06-LSMOSFET功率管。实验电路架构如图2所示。

为精准捕捉输出纹波，选用AD7768-24 高精度模数转换器，其24位分辨率能捕捉微伏级波动。控制算法等在Spartan-6FPGA 开发板上实现，并预留接口。实验电路关键参数如表1所列。

LM5041 开关频率在200 kHz~1 MHz 可编程，配置BSC014N06LS，转换效率超过95%。AD7768-24 采样率为256 kSPS，信噪比为108 dB，可精准量化纹波。

4.2 实验准备

实验负载使用2.5 Ω 纯电阻与0.3 mH 感性负载串联模拟动态工况。负载侧电压与电流使用LV电压和LA电流传感器测量；母线电容电压使用精密电阻分压，由FPGA内置的模数转换器读取。

在输出端并联10 kΩ/0.5 W陶瓷电阻作为假负载，此时的开关直流电源纹波分量如图3所示。

并联10 kΩ/0.5 W 陶瓷电阻后，负载率提升至8%，纹波峰峰值为86 mV，高频谐波成分显著。

4.3 实验结果

实验设置采样频率为50 MHz，通过高速逻辑分析仪捕获实时信号，并对其做2 048点FFT变换，得到自适应补偿抑制后的开关直流电源纹波频谱，如图4所示。

由图4可知，经自适应补偿抑制处理，纹波峰峰值从86 mV降至18 mV，较补偿前下降79%。频谱上能量被分散抑制，其他谐波频率点幅值也显著降低，整体频谱更平滑，电源输出的稳定性和纯净度得到有效提升。

以电源纹波衰减比（RRWA）为核心实验指标，测试本文方法在100 Hz 时，100 kΩ 与10 kΩ 负载电阻条件下的纹波抑制效能，实验结果如图5所示。

由图5 可知，本文方法在100 kΩ 负载的RRWA 为45.2 dB，比10 kΩ 负载的38.7 dB 高6.5 dB；1 000 Hz 时，100 kΩ负载仍有34.9 dB的衰减比，10 kΩ负载降至26.0 dB，差距扩大到8.9 dB。实验验证其能降低电源输出纹波幅值，且能在高频时动态调整参数削弱纹波能量，为负载提供了更稳定、纯净的直流电压。

5 结语

开关直流电源纹波自适应补偿抑制研究是提升电源可靠性与信号完整性的关键。其融合拓扑创新与智能控制，能精准追踪抑制纹波动态特性，突破传统被动滤波局限，构建多维技术体系。自适应倍压整流拓扑可提升纹波衰减效率，智能补偿算法通过动态调参确保全负载时的最优性能。该成果可为高精度电源设计提供理论支撑，也可为未来更大功率的集成电路测试设备供电系统提供可行方案，对于推动我国半导体产业的发展有重要实践价值。

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