開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲
開(kāi)關(guān)電源（包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線(xiàn)性電源相比較，最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)80%～85%，高的可達(dá)90%～97%；其次，開(kāi)關(guān)電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。但開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開(kāi)關(guān)管工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輸出的紋波和噪聲電壓較大，
一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），最好產(chǎn)品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線(xiàn)性電源的調(diào)整管工作于線(xiàn)性狀態(tài)，無(wú)紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。
本文簡(jiǎn)單地介紹開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測(cè)量方法、測(cè)量裝置、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及減小紋波和噪聲的措施。
紋波和噪聲產(chǎn)生的原因
開(kāi)關(guān)電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動(dòng)，與開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開(kāi)、關(guān)過(guò)程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過(guò)程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率與開(kāi)關(guān)的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開(kāi)關(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)。
噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場(chǎng)的干擾（EMI），它能通過(guò)輻射進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源或者通過(guò)電源線(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發(fā)生在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開(kāi)關(guān)頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)洹㈦娐分械募纳鸂顟B(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān)。
利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開(kāi)關(guān)管頻率相同，而噪聲的頻率是開(kāi)關(guān)管的兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電壓的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓，其單位是mVp-p。
圖1 紋波和噪聲的波形 紋波和噪聲的測(cè)量方法
紋波和噪聲電壓是開(kāi)關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測(cè)量是一個(gè)十分重要問(wèn)題。目前測(cè)量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來(lái)測(cè)量的方法，它能精準(zhǔn)地測(cè)出紋波和噪聲電壓值。
由于開(kāi)關(guān)電源的品種繁多（有不同的拓?fù)洹⒐ぷ黝l率、輸出功率、不同的技術(shù)要求等），但是各生產(chǎn)廠(chǎng)家都采用示波器測(cè)量法，僅測(cè)量裝置上不完全相同，因此各廠(chǎng)對(duì)不同開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
用示波器測(cè)量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測(cè)開(kāi)關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測(cè)量連線(xiàn)組成。有的測(cè)量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。
圖2 示波器測(cè)量框圖
從圖2來(lái)看，似乎與其他測(cè)波形電路沒(méi)有什么區(qū)別，但實(shí)際上要求不同。測(cè)紋波和噪聲電壓的要求如下：
● 要防止環(huán)境的電磁場(chǎng)干擾（EMI）侵入，使輸出的噪聲電壓不受EMI的影響；
● 要防止負(fù)載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾；
● 對(duì)小型開(kāi)關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無(wú)輸出電容或輸出電容較小，所以在測(cè)量時(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/p>
為滿(mǎn)足第1條要求，測(cè)量連線(xiàn)應(yīng)盡量短，并采用雙絞線(xiàn)（消除共模噪聲干擾）或同軸電纜；一般的示波器探頭不能用，需用專(zhuān)用示波器探頭；并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差。為滿(mǎn)足第2點(diǎn)，負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。
經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生，用戶(hù)買(mǎi)回的開(kāi)關(guān)電源或模塊電源，在測(cè)量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符，大大地超過(guò)技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求，這往往是用戶(hù)的測(cè)量裝置不合適，測(cè)量的方法（測(cè)量點(diǎn)的選擇）不合適或采用通用的測(cè)量探頭所致。
幾種測(cè)量裝置
1雙絞線(xiàn)測(cè)量裝置
雙絞線(xiàn)測(cè)量裝置如圖3所示。采用300mm（12英寸）長(zhǎng)、#16AWG線(xiàn)規(guī)組成的雙絞線(xiàn)與被測(cè)開(kāi)關(guān)電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線(xiàn)末端接一個(gè)4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz）的示波器。在測(cè)量點(diǎn)連接時(shí)，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。
圖3 雙絞線(xiàn)測(cè)量裝置
這里要注意的是，雙絞線(xiàn)接地線(xiàn)的末端要盡量的短，夾在探頭的地線(xiàn)環(huán)上。
2 平行線(xiàn)測(cè)量裝置
平行線(xiàn)測(cè)量裝置如圖4所示。圖4中，C1是多層陶瓷電容（MLCC），容量為1μF，C2是鉭電解電容，容量是10μF。兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸出電壓值的2%。該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工作環(huán)境比較接近，缺點(diǎn)是較容易撿拾EMI干擾。
圖4 平行線(xiàn)測(cè)量裝置
3 專(zhuān)用示波器探頭
圖5所示為一種專(zhuān)用示波器探頭直接與波測(cè)電源靠接。專(zhuān)用示波器探頭上有個(gè)地線(xiàn)環(huán)，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線(xiàn)環(huán)接觸電源的負(fù)極（GND），接觸要可靠。
圖5 示波器探頭的接法
這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因?yàn)橥ㄓ檬静ㄆ魈筋^的地線(xiàn)不屏蔽且較長(zhǎng)，容易撿拾外界電磁場(chǎng)的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線(xiàn)面積越大，受干擾的影響越大，如圖6所示。
圖6 通用探頭易造成干擾
4 同軸電纜測(cè)量裝置
這里介紹兩種同軸電纜測(cè)量裝置。圖7是在被測(cè)電源的輸出端接R、C電路后經(jīng)輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端；圖8是同軸電纜直接接電源輸出端，在同軸電纜的兩端串接1個(gè)0.68μF陶瓷電容及1個(gè)47Ω/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和電容電阻的連接如圖9所示。
圖7 同軸電纜測(cè)量裝置1
圖8 同軸電纜測(cè)量裝置2
圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接
紋波和噪聲的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
以上介紹了多種測(cè)量裝置，同一個(gè)被測(cè)電源若采用不同的測(cè)量裝置，其測(cè)量的結(jié)果是不相同的，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置來(lái)測(cè)，則測(cè)量的結(jié)果才有可比性。近年來(lái)出臺(tái)了幾個(gè)測(cè)量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置，如圖10所示。
圖10 基于JEITA-RC9131A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測(cè)電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個(gè)電容C2及C3，C2為22μF電解電容，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接負(fù)載及不超過(guò)1.5m長(zhǎng)的50Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個(gè)50Ω的電阻R和串接一個(gè)4700pF的電容C1后接入示波器，示波器的帶寬為100MHz。同軸電纜的兩端連接線(xiàn)應(yīng)盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，連接負(fù)載的線(xiàn)若越長(zhǎng)，則測(cè)出的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必要連接C2及C3。若示波器探頭的地線(xiàn)太長(zhǎng)，則紋波和噪聲的測(cè)量不可能精確。
另外，測(cè)試應(yīng)在溫室條件下，被測(cè)電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。
不正確與正確測(cè)量的比較
1探頭的選擇
圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路及測(cè)量正確和不正確的波形圖。若采用普通的示波器探頭來(lái)測(cè)量（如圖12所示），由于地線(xiàn)與探頭組成的回路面積太大（由剖面線(xiàn)組成的面積），它相當(dāng)于一根“天線(xiàn)”，極易受到EMI的干擾，其輸出的紋波和噪聲電壓相當(dāng)大（見(jiàn)圖11中右面的示波器波形圖中綠色的紋波和噪聲波形）。若采用專(zhuān)用的測(cè)量探頭（如圖13所示），它的地線(xiàn)極短，探頭與地線(xiàn)組成回路面積較小，受到EMI干擾極小，其輸出紋波和噪聲波形如圖11右面的紅色線(xiàn)所示。這例子說(shuō)明一般通用示波器的探頭是不能用的。
圖11 AAT1121電路測(cè)量波形
圖12 用普通示波器探頭測(cè)得的波形
編輯：admin 最后修改時(shí)間：2018-01-05
