開關(guān)電源中的紋波和噪聲講解

紋波

紋波：是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號。指在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。

噪聲

噪聲：對于電子線路中所標(biāo)稱的噪聲，可以概括地認(rèn)為，它是對目的信號以外的所有信號的一個總稱。最初人們把造成收音機(jī)這類音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子信號對電子線路造成的后果并非都和聲音有關(guān)，因而，后來人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。例如，把造成視屏幕有白斑條紋的那些電子信號也稱為噪聲?？赡芤哉f，電路中除目的的信號以外的一切信號，不管它對電路是否造成影響，都可稱為噪聲。例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對電路造成不良影響，使音響裝置發(fā)出交流聲或?qū)е码娐氛`動作，但有時也許并不導(dǎo)致上述后果。對于這種紋波或振蕩，都應(yīng)稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號，對需要接收這種信號的接收機(jī)來講，它是正常的目的信號，而對另一接收機(jī)它就是一種非目的信號，即是噪聲。在電子學(xué)中常使用干擾這個術(shù)語，有時會與噪聲的概念相混淆，其實(shí)，是有區(qū)別的。噪聲是一種電子信號，而干擾是指的某種效應(yīng)，是由于噪聲原因?qū)﹄娐吩斐傻囊环N不良反應(yīng)。而電路中存在著噪聲，卻不一定就有干擾。在數(shù)字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由于電路特性關(guān)系，這些小尖峰脈沖還不致于使數(shù)字電路的邏輯受到影響而發(fā)生混亂，所以可以認(rèn)為是沒有干擾。

當(dāng)一個噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。而一個電路或一個器件，當(dāng)它還能保持正常工作時所加的最大噪聲電壓，稱為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難消除，但可以設(shè)法降低噪聲的強(qiáng)度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不致于形成干擾。

諧波

諧波：是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

諧波產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，基波電流發(fā)生畸變就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。主要非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

下面主要講解開關(guān)電源中的紋波和噪聲

開關(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)用范圍越來越廣。但開關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開關(guān)管工作于高頻開關(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；而線性電源的調(diào)整管工作于線性狀態(tài)，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

簡單地介紹開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標(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，與開關(guān)電源的開關(guān)動作有關(guān)。每一個開、關(guān)過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關(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，一種是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進(jìn)入開關(guān)電源或者通過電源線輸入開關(guān)電源。

開關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發(fā)生在開關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱為開關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關(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關(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計有關(guān)。

利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開關(guān)管頻率相同，而噪聲的頻率是開關(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

紋波和噪聲的測量方法

紋波和噪聲電壓是開關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測量是一個十分重要問題。目前測量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來測量的方法，它能精準(zhǔn)地測出紋波和噪聲電壓值。

由于開關(guān)電源的品種繁多（有不同的拓?fù)?、工作頻率、輸出功率、不同的技術(shù)要求等），但是各生產(chǎn)廠家都采用示波器測量法，僅測量裝置上不完全相同，因此各廠對不同開關(guān)電源的測量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測量連線組成。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。

圖2 示波器測量框圖

從圖2來看，似乎與其他測波形電路沒有什么區(qū)別，但實(shí)際上要求不同。測紋波和噪聲電壓的要求如下：

● 要防止環(huán)境的電磁場干擾（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；

● 對小型開關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/p>

為滿足第1條要求，測量連線應(yīng)盡量短，并采用雙絞線（消除共模噪聲干擾）或同軸電纜；一般的示波器探頭不能用，需用專用示波器探頭；并且測量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測量點(diǎn)在負(fù)載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第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，用戶買回的開關(guān)電源或模塊電源，在測量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符，大大地超過技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求，這往往是用戶的測量裝置不合適，測量的方法（測量點(diǎn)的選擇）不合適或采用通用的測量探頭所致

雙絞線測量裝置

雙絞線測量裝置如圖3所示。采用300mm（12英寸）長、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測開關(guān)電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個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。在測量點(diǎn)連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

圖3 雙絞線測量裝置

這里要注意的是，雙絞線接地線的末端要盡量的短，夾在探頭的地線環(huán)上。

平行線測量裝置

平行線測量裝置如圖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 平行線測量裝置

專用示波器探頭

圖5所示為一種專用示波器探頭直接與波測電源靠接。專用示波器探頭上有個地線環(huán)，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環(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^的地線不屏蔽且較長，容易撿拾外界電磁場的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受干擾的影響越大，如圖6所示。

圖6 通用探頭易造成干擾

同軸電纜測量裝置

這里介紹兩種同軸電纜測量裝置。圖7是在被測電源的輸出端接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0.68μF陶瓷電容及1個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 同軸電纜測量裝置1

圖8 同軸電纜測量裝置2

圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接

紋波和噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn)

以上介紹了多種測量裝置，同一個被測電源若采用不同的測量裝置，其測量的結(jié)果是不相同的，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測量裝置來測，則測量的結(jié)果才有可比性。

圖10 測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個電容C2及C3，C2為22μF電解電容，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負(fù)載及不超過1.5m長的50Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻R和串接一個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)載的線若越長，則測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太長，則紋波和噪聲的測量不可能精確。

另外，測試應(yīng)在溫室條件下，被測電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。

減小紋波和噪聲電壓的措施

開關(guān)電源除開關(guān)噪聲外，在AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖11所示（圖a是全波整流、濾波電路，b是電壓及電流波形）。電流波形中有高次諧波，它會增加噪聲輸出。良好的開關(guān)電源（AC/DC轉(zhuǎn)換器）在電路增加了功率因數(shù)校正（PFC）電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數(shù)提高到0.95左右，減小了對電網(wǎng)的污染。電路圖如圖12所示。

圖11 開關(guān)電源整流波形

圖12 開關(guān)電源PFC電路

開關(guān)電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓?fù)洌鞑糠蛛娐返脑O(shè)計及PCB設(shè)計有關(guān)。例如，采用多相輸出結(jié)構(gòu)，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高；低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達(dá)1MHz以上。因此產(chǎn)生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲最簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。

減少EMI的措施

可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖13所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。

圖13 開關(guān)電源加EMI濾波

在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容

采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的，其特點(diǎn)是尺寸小而電容量大，高頻下ESR阻抗低，允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如，一種高分子聚合物鉭固態(tài)電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時的等效串聯(lián)電阻（ESR）最大值為25mΩ，最大的允許紋波電流（在100kHz時）為2400mArms，其尺寸為：7.3mm（長）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號為10TPE68M（貼片或封裝）。

紋波電壓ΔVOUT為：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的鋁電解電容作輸出電容，額定電壓10V、額定電容量100μF，在20℃、120Hz時的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量也無效，因?yàn)槌^10kHz時，它已成電感特性了。

某些開關(guān)頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容（MLCC）或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯，其價位要比高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)電容要低得多。

采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步

為減小輸出噪聲，電源的開關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。

避免多個模塊電源之間相互干擾

在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。

增加LC濾波器

為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖14所示。圖14左圖是單輸出，圖14右圖是雙輸出。

圖14 在DC/DC模塊中加入LC濾波器

在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動問題，LC的諧振頻率必須與開關(guān)頻率要錯開以避免相互干擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

表1和表2

增加LDO

在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要（見圖15），輸出噪聲可達(dá)μV級。

圖15 在電源中加入LDO

由于LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器

有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，并且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時效率可達(dá)99%。

輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容。

很多人在測試紋波和噪聲時往往會出現(xiàn)上百mv，或者幾百mv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比說明書提供的紋波值大很多，這主要是測試方法不正確造成的。造成對紋波測試的幾點(diǎn)誤區(qū)。

誤區(qū)一：測試帶寬的選擇，帶寬越大測試越準(zhǔn)確

這種認(rèn)為是不正確的。輸出紋波的頻率和電源的開關(guān)頻率相同，而開關(guān)頻率目前一般從幾十KHZ到幾MHZ,另外由開關(guān)器件所造成的干擾也小于20MHZ，帶寬限制在20MHZ，也是避免外界的高頻噪聲影響紋波的測試。一般情況下，模塊使用說明書都會提到該模塊在測試紋波時所選用的示波器測試帶寬。通常沒有特殊說明，紋波測試的帶寬一般設(shè)定為20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ帶寬限制功能。

誤區(qū)二：測試方法的選擇

測試方法的選擇在目前是存在較大爭議的，同一個模塊采用不同的測試方法會得到不同的結(jié)果。目前行業(yè)內(nèi)普遍流行的有靠測法、雙絞線法、平行線法、50歐同軸電纜測試四種方法，其目的只有一個，就是真實(shí)客觀的測試模塊的輸出紋波。而用戶在使用中因?yàn)榉N種客觀因素一般采用的是甩線法，就是拿示波器探頭、地線夾直接接在模塊的輸出管腳測試，這種方法不能說不正確，但會對測試結(jié)果帶來很大的不同，一般可達(dá)到上百或者幾百毫伏的紋波。

示波器探頭的地線長度約13cm，自身電感約為80nH，共模電流會在地線夾子上產(chǎn)生一定量不可忽略的尖峰電壓。在實(shí)際測試時，地線夾通常會以環(huán)形出現(xiàn)，所以很容易接收到空間輻射。測試端子和地線夾構(gòu)成的環(huán)路就像天線一樣在工作，地線環(huán)的面積越大，開關(guān)過程中獲取的噪聲就越大，影響到紋波的正確測試。為減小地線夾過長所造成的影響，探頭應(yīng)該直接靠在輸出管腳兩端，這樣信號和地相連處的地線環(huán)面積就很小了，這就是靠測法。測試時去掉示波器探頭的地線夾和探頭帽子，直接靠在輸出管腳上進(jìn)行測試，如果輸出管腳間距稍大，示波器探頭不能直接靠上，可以用自制地線環(huán)進(jìn)行測試，如下圖所示。

（左）使用地線夾直接測試 （右）采用靠測法測試

對于一些需要低紋波輸出的特定場合，需要采取特定的設(shè)計方案，采用甩線法測試也能得到比較小的紋波。西安偉京電子制造有限公司推出了兩款輸入16VDC—40VDC,輸出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六種輸出電壓，輸出功率15W,內(nèi)置輸入濾波器輸出低紋波的高可靠軍用電源模塊，一種采用全金屬氣密性封裝，一種采用優(yōu)良導(dǎo)熱灌封膠的五面體金屬結(jié)構(gòu)，兩種模塊采用甩線法測試20MHZ帶寬，紋波在20—50mv,并且該模塊不用外加濾波器可以通過GJB151-97中CE102的要求。