電源紋波的測(cè)量和抑制方法研究

電源紋波的產(chǎn)生

我們常見(jiàn)的電源有線(xiàn)性電源和開(kāi)關(guān)電源，它們輸出的直流電壓是由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。由于濾波不干凈，直流電平之上就會(huì)附著包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)，這就產(chǎn)生了紋波。在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出直流電壓中的交流電壓的峰值就是通常所說(shuō)的紋波電壓。 紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它是圍繞著輸出的直流電壓上下來(lái)回波動(dòng)的周期性信號(hào)，但周期和振幅并不是定值，而是隨著時(shí)間變化，并且不同電源的紋波波形也不一樣。

紋波的危害

一般來(lái)說(shuō)紋波是有百害而無(wú)一利的，紋波的危害主要有以下幾點(diǎn)：

電源中攜帶的紋波會(huì)在電器上產(chǎn)生諧波，降低電源的使用效率；

較高的紋波可能會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行不正?；蚣铀僭O(shè)備老化；

在數(shù)字電路中紋波會(huì)干擾電路邏輯關(guān)系；

紋波還會(huì)給通信、測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表帶來(lái)噪音干擾，破壞信號(hào)的正常測(cè)量、計(jì)量，甚至損壞設(shè)備。

所以在制作電源的時(shí)候，我們都要考慮將紋波降低到百分之幾以下，對(duì)紋波要求高的設(shè)備要考慮把紋波降低到更小。 電源紋波的測(cè)量方法通常分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是單獨(dú)電源的鑒定，另一類(lèi)是產(chǎn)品的調(diào)試測(cè)量。 在電源行業(yè)和電源用戶(hù)對(duì)電源鑒定時(shí)，要求選擇在室內(nèi)（20℃左右）進(jìn)行，濕度應(yīng)小于80%，周?chē)鷮?duì)測(cè)量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾最小，標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢電源應(yīng)在以上的測(cè)試環(huán)境下放置24小時(shí)以上。 對(duì)于純電源來(lái)講，測(cè)量電源紋波時(shí)，要求在加載時(shí)測(cè)量，所加負(fù)載要使輸出電流大于額定輸出電流的80%以上。 對(duì)于低噪聲的純阻性負(fù)載或電子負(fù)載，還要選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。 紋波電壓可以用絕對(duì)量表示，也可用相對(duì)量來(lái)表示。一般用紋波電壓與直流輸出電壓的比例來(lái)評(píng)價(jià)直流電源的濾波性能，即紋波系數(shù)。紋波系數(shù)作為評(píng)價(jià)直流電源的一個(gè)重要指標(biāo)，其計(jì)算方法為紋波電壓的有效值與直流輸出電壓的百分比。

紋波的測(cè)量

測(cè)量電源紋波一般采用示波器來(lái)測(cè)量，常用的有以下三種測(cè)量方法：

靠連法：使用帶有地線(xiàn)環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，線(xiàn)環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳，這是由于使得環(huán)路盡量短，這樣從示波器中讀出的峰值為輸出線(xiàn)上的紋波與噪聲，如下圖。

直接法：將地線(xiàn)環(huán)直接與負(fù)輸出的管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測(cè)試。

絞連法：輸出管腳接雙絞線(xiàn)后接電容，在電容兩端用示波器測(cè)量。

測(cè)量紋波時(shí)候，需要注意的是：要清楚紋波的帶寬上限，紋波為低頻噪聲，所以一般使用不超過(guò)紋波帶寬上限太多的示波器。 在測(cè)量時(shí)，要先打開(kāi)示波器的帶寬限制功能，把帶寬限制在20MHz，直接用探頭的屏蔽地和輸出地連接，減少因地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的環(huán)路干擾。 在探頭接入點(diǎn)的位置并聯(lián)一個(gè)較小的瓷片電容和一個(gè)小電解電容，濾除外界干擾信號(hào)防止進(jìn)入示波器。

紋波的抑制方法

電源輸出紋波主要來(lái)源于五個(gè)方面：低頻輸入紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。 抑制這些紋波的通常方法是：加大濾波電路中電容容量、采用LC濾波電路、采用多級(jí)濾波電路、以線(xiàn)性電源代替開(kāi)關(guān)電源、合理布線(xiàn)等。但根據(jù)它的分類(lèi)，有針對(duì)性的采取措施往往會(huì)取得事半功倍的效果。

高頻紋波的抑制：高頻紋波噪聲多來(lái)源于高頻功率變換電路。在高頻功率變換電路中，輸入直流電壓通過(guò)高頻功率器件進(jìn)行變換后進(jìn)行整流濾波而實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓輸出中，一般會(huì)含有與開(kāi)關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開(kāi)關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波的濾波要求。

低頻紋波的抑制：低頻紋波的大小與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)。電容的容量不能無(wú)限制地增加，不可避免的會(huì)造成輸出低頻紋波的殘留。交流紋波經(jīng)過(guò)DC/DC變換電路進(jìn)行衰減后輸出，屬于低頻噪聲范圍，其大小由控制系統(tǒng)的增益和DC/DC變換電路決定。由于電流型和電壓型控制DC/DC變換電路的紋波抑制能力相對(duì)均不高且他們的輸出端低頻交流紋波較大。所以必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施實(shí)現(xiàn)電源的低紋波輸出。 有的電源來(lái)說(shuō)，可增大DC/DC變換器閉環(huán)增益電路和采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路可以增強(qiáng)紋波的抑制效果、可以通過(guò)改變整流濾波器的電容量以及調(diào)節(jié)反饋回路的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻紋波的抑制。

共模紋波的抑制：共模紋波噪聲一般出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源的矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，與功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間的寄生電容和導(dǎo)線(xiàn)中存在寄生電感相互作用，產(chǎn)生共模紋波噪聲。對(duì)于共模紋波噪聲抑制的方法有： · 減小控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑制電感及電容； · 利用EMI濾波器可以有效的抑制共模紋波的干擾； · 降低開(kāi)關(guān)毛刺幅度。

閉環(huán)控制環(huán)路紋波的抑制：閉環(huán)控制環(huán)路紋波的產(chǎn)生原因一般是環(huán)路中的參數(shù)設(shè)置不適當(dāng)，當(dāng)輸出端存在一定波動(dòng)時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出端的波動(dòng)電壓反饋到調(diào)節(jié)器回路，致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生自激響應(yīng)，從而產(chǎn)生附加紋波。 抑制方法主要有：抑制調(diào)節(jié)器自激響應(yīng)、合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)、調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性、電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的方法。

原文標(biāo)題：干貨｜什么是電源紋波，如何測(cè)量它的值，如何抑制？

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審核編輯：湯梓紅