開關(guān)電源紋波噪聲產(chǎn)生原因和測試方法

摘要：本文簡述了開關(guān)電源紋波噪聲測試方法及延伸，同時(shí)分享紋波噪聲測試使用設(shè)備，以及給出紋波噪聲測試的具體方法，供大家學(xué)習(xí)參考。

一、開關(guān)電源輸出紋波產(chǎn)生原因

紋波是輸出直流電壓的波動(dòng)，與開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開、關(guān)的過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)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)。一般我們看到的紋波和噪聲的形式如下圖1-1所示。

01 開關(guān)電源輸出噪聲產(chǎn)生的原因

1.開關(guān)器件的開關(guān)行為：開關(guān)電源中的開關(guān)器件（如MOSFET、IGBT等）在高速開關(guān)過程中，會(huì)引起電流和電壓的急劇變化。這種瞬態(tài)變化在電源的輸出端表現(xiàn)為電壓波動(dòng)，即噪聲。尤其是在開關(guān)管高速開通與關(guān)斷時(shí)，其導(dǎo)通與截止期間會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，從而在輸出端形成噪聲。

2.當(dāng)整流二極管由正向?qū)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉聪蚪刂範(fàn)顟B(tài)時(shí)，?會(huì)經(jīng)歷一個(gè)反向恢復(fù)過程。?在這個(gè)過程中，?已經(jīng)導(dǎo)通的二極管在突然加上反向電壓的一段時(shí)間內(nèi)，?電流下降到零以后，?并不立刻停止導(dǎo)通，?而是處于反向低阻狀態(tài)。?此時(shí)，?在反向電壓作用下，?載流子進(jìn)入復(fù)合過程，?導(dǎo)致反方向繼續(xù)流過電流。?當(dāng)載流子復(fù)合完畢，?反向電流才迅速衰減到零。?這個(gè)階段中，?電路產(chǎn)生強(qiáng)烈的過渡過程，?在關(guān)斷元件兩端產(chǎn)生極高的過電壓，?即換流過電壓，進(jìn)而以噪聲的形式體現(xiàn)在輸出電壓上。

3.盡管開關(guān)電源中通常包含濾波電路（如LC濾波器、電容濾波器等）來平滑輸出電壓，但這些濾波電路可能無法完全濾除高頻噪聲和諧波。未被濾除的部分就會(huì)在輸出端形成噪聲。

4.外部環(huán)境中的電磁輻射可能通過電源線、信號(hào)線或空間耦合進(jìn)入開關(guān)電源的輸出端，導(dǎo)致測試中出現(xiàn)高頻噪聲。

5.如雷電、靜電等自然現(xiàn)象也可能對(duì)開關(guān)電源產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。

6.開關(guān)電源的PCB布局如果不合理，如開關(guān)器件、濾波電容、電感等關(guān)鍵元件的布局過于緊密或不合理，可能會(huì)導(dǎo)致電磁干擾的增加，從而增大輸出噪聲。

7.電路設(shè)計(jì)中元器件的參數(shù)選擇不當(dāng)也可能導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。例如，濾波電容的容量不足或ESR（等效串聯(lián)電阻）過大，都會(huì)使噪聲增大。

8.開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如果不合理，如散熱不良、屏蔽措施不到位等，也可能導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。

9.穩(wěn)壓電源芯片輸出的電壓不穩(wěn)定時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的紋波和噪聲。這可能是由于穩(wěn)壓芯片的直流輸出端產(chǎn)生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開關(guān)頻率的上升沿或下降沿出現(xiàn)錯(cuò)誤等原因?qū)е碌摹?/p>

02 噪聲與紋波的區(qū)別

在工程上，在對(duì)電源進(jìn)行測試時(shí)，一般并不刻意地把紋波和噪聲分開，測量的是紋波和噪聲兩者的合成干擾，用峰-峰值表示。

二、紋波噪聲測試使用設(shè)備

通常針對(duì)開關(guān)電源紋波測試，需要以下幾類設(shè)備：

1.供電電源：通常為交直流兩用線性電源，滿足ACDC、DCDC電源測試需求；

2.電子負(fù)載：直流電子負(fù)載，為開關(guān)電源模擬各類帶載情況；

3.示波器：設(shè)置好示波器，將紋波噪聲數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；

三、紋波噪聲測試方法

紋波和噪聲是疊加在直流輸出上的周期性和隨機(jī)性交流成分，它也影響著輸出精度，一般對(duì)紋波和噪聲示波器采用峰-峰值計(jì)量(mVp-p)，紋波屬于是交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信號(hào)的輸入。

第一步，先將示波器帶寬設(shè)置為20MHz，可以有效濾除環(huán)境中耦合進(jìn)的高頻干擾；

?電源輸出時(shí)，?電源自身的開關(guān)頻率會(huì)引起紋波，?而通過設(shè)置示波器的帶寬限制為20MHz，?可以有效地濾除高頻噪聲，?從而捕捉到真實(shí)的紋波情況。?這是因?yàn)殡娫吹念l率通常較低，?而太高頻的噪聲往往是由示波器或空間輻射引起的，?并不能真正反映電源紋波的大小。?通過限制帶寬至20MHz，?可以確保測量結(jié)果反映的是電源本身的問題，?而不是外部引入的高頻干擾。

第二步，采用平行線測試法、雙絞線法或靠測法，如圖3-1 3-2。

1.平行線測試法：平行線測試法主要用于測量電源模塊或信號(hào)線的紋波噪聲。通過將測試線布置成平行線，可以模擬實(shí)際工作環(huán)境中的信號(hào)傳輸情況，從而更準(zhǔn)確地測量紋波噪聲。

優(yōu)點(diǎn)：

①接近實(shí)際工作環(huán)境：平行線測試法能夠模擬實(shí)際工作環(huán)境中的信號(hào)傳輸情況，提高測試結(jié)果的可靠性。

②易于實(shí)施：相對(duì)于其他復(fù)雜的測試方法，平行線測試法的實(shí)施相對(duì)簡單。

注意 ：

（1）C1=1uF（高頻陶瓷電容）；

（2）C2=10uF（電解電容），耐壓值降額80%以上；

（3）兩平行線銅箔帶之間的距離為2.5mm，兩平行銅箔帶的電壓降之和應(yīng)小于輸出電壓值的2%。

2.雙絞線測試法：利用雙絞線的平衡傳輸特性，減少信號(hào)傳輸過程中的串?dāng)_和干擾。在數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)傳輸領(lǐng)域，雙絞線因其良好的抗干擾性能而得到廣泛應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：

①抗干擾能力強(qiáng)：雙絞線的平衡傳輸特性能夠有效減少信號(hào)傳輸過程中的串?dāng)_和干擾。

②傳輸距離遠(yuǎn)：相對(duì)于單線傳輸，雙絞線傳輸能夠支持更遠(yuǎn)的傳輸距離。

采用30cm長、#20AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測開關(guān)電源的Vo及0V連接，在Vo與0V之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個(gè)10μF電解電容，在測量點(diǎn)連接時(shí)，一端接在Vo上，另一端接到0V上。

3.靠測法：主要用于屏蔽高頻噪聲干擾，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。在電源模塊或信號(hào)傳輸線的測試中，高頻噪聲往往會(huì)對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生顯著影響，而靠測法通過特定的測試布局和屏蔽措施，能夠有效減少這些干擾。

優(yōu)點(diǎn)：

①減少干擾：靠測法通過物理屏蔽和布局優(yōu)化，顯著降低高頻噪聲對(duì)測試結(jié)果的影響。

②提高精度：在減少干擾的基礎(chǔ)上，靠測法能夠提供更精確的測試結(jié)果。