寄生电流、PCB 走线对纹波的影响
更新时间：2025-12-17 09:14:31
晨欣小编
一、纹波的基本概念
纹波（Ripple）通常指电路中 电压或电流随时间的周期性波动，主要来源于电源转换器（如 DC-DC）、整流滤波电路以及高频开关过程。理想情况下，稳压电源应输出恒定的直流电压，但由于寄生参数和电路布局的影响，输出端会叠加一定的交流分量，即纹波。
电压纹波：输出电压的波动，常用峰峰值或 RMS 值表征。
电流纹波：电感、电容以及负载中周期性变化的电流。
在高速数字系统或高精度模拟电路中，过大的纹波会引发时序抖动、信噪比下降、甚至电路失效。
二、寄生电流的形成与机理
寄生电流是指 由寄生参数（寄生电感、寄生电容、寄生电阻）引发的非理想电流，主要表现为额外的环流、涡流和耦合电流。这些电流在 PCB 上的存在，会直接影响电源和信号质量。
1. 寄生电感的影响
PCB 走线和过孔本身都存在电感效应。
在高频或快速开关电路中，电流变化率 di/dt 较大时，寄生电感会导致电压尖峰：
V=L⋅dtdi
这些电压尖峰会转化为纹波，叠加到电源输出或信号线上。
2. 寄生电容的影响
相邻走线、铜皮和电源层之间会形成寄生电容。
高频噪声可通过寄生电容耦合，产生不期望的电流通道，造成电源与地之间的高频纹波。
3. 环流效应
在多层 PCB 中，不合理的接地或电源平面分割可能导致回流路径延长，形成环流。
环流不仅增加电源纹波，还会引起电磁辐射。
三、PCB 走线对纹波的影响
PCB 走线是寄生效应的重要来源。以下几个方面会显著影响纹波特性：
1. 走线长度与宽度
长走线：寄生电感增大，纹波电压上升。
细走线：寄生电阻增大，电源压降增加，同时会导致电流分布不均，增加局部纹波。
例如，1mm 宽、10cm 长的铜走线，其电感可达数十 nH，在开关电源 MHz 级别的开关频率下会显著放大纹波。
2. 走线布局
电流环面积越大，磁场耦合越强，纹波与 EMI 都会增强。
电感与电容之间若布线过长，滤波效率下降，纹波抑制效果变差。
3. 地平面与回流路径
若地平面开槽或分割不合理，电流回路无法形成最小环路，会引入额外纹波。
信号与其参考平面分离过远，寄生电感增强，加剧电源噪声。
4. 去耦电容位置
去耦电容若远离芯片供电引脚，其抑制纹波的能力会显著下降。
实验证明，10nH 的走线电感足以使高频去耦电容形同虚设。
四、寄生电流与 PCB 走线耦合产生的纹波表现
1. 高频尖峰
在开关电源中，MOSFET 开关瞬间，寄生电感导致的尖峰电压会直接表现为纹波峰值。
2. 谐振效应
寄生电感与寄生电容可能形成 LC 谐振回路，产生特定频率的纹波增强。若谐振频率落在系统工作频率附近，将大幅降低电源稳定性。
3. 共模噪声
寄生电流可能沿地平面和电源线同时传播，产生共模噪声，使纹波在整个 PCB 板上传播。
五、设计与优化策略
为了降低寄生电流和走线对纹波的影响，工程师需在 PCB 设计阶段采取科学措施：
1. 走线优化
缩短高电流路径，减小寄生电感。
采用加宽走线或铺铜方式，降低寄生电阻。
尽量保持电源与地的紧密耦合，减少回流环面积。
2. 元件布局
去耦电容靠近芯片供电引脚放置。
电感、电容组合的 LC 滤波器布线尽量紧凑，减少额外电感。
开关器件与滤波器之间应布线最短化。
3. 电源与地平面设计
采用完整连续的地平面，避免分割和狭长通道。
电源平面与地平面紧密相邻，形成平行板电容，帮助吸收高频纹波。
4. 多层板设计
对于高速或高功率电路，采用 4 层及以上 PCB，保证独立电源/地层。
信号层靠近地平面，降低耦合噪声。
5. EMI 与纹波抑制措施
合理选用 磁珠、铁氧体，吸收高频纹波。
在电源入口加 π 型滤波器，抑制输入纹波。
局部电源采用 LDO 二次稳压，保证低噪声供电。
六、工程案例分析
案例 1：DC-DC 转换器纹波过大
某工程中，DC-DC 输出端纹波达 200mV，远超规格。经排查发现输出电感到电容的走线过长，导致寄生电感约 20nH。优化布线后，纹波降至 50mV。
案例 2：高速 FPGA 电路电源抖动
FPGA 内核电源对纹波极其敏感。由于去耦电容放置在 2cm 之外，导致供电电压出现高频尖峰。调整布局并增加多点去耦后，电源噪声降低 60%。
七、结论
寄生电流与 PCB 走线对纹波的影响在电子系统中不可忽视。寄生电感、电容和不合理的走线布局会显著放大纹波，降低电路性能。通过 缩短走线、优化布局、合理布置去耦电容、采用完整电源/地平面 等措施，可以有效抑制纹波，提高系统稳定性。
从工程实践看，设计阶段的预防往往比后期补救更高效。因此，工程师在 PCB 设计中，应将寄生效应的控制与纹波优化视为核心任务之一。
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