開關電源中的紋波與噪聲的起因以及測量方法

本文簡單地介紹開關電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。
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　　紋波和噪聲產(chǎn)生的原因

　　開關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，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，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，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關。

　　噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種是開關電源自身產(chǎn)生的;另一種是外界電磁場的干擾(EMI)，它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。

　　開關電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發(fā)生在開關導通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設計有關。

　　利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開關管頻率相同，而噪聲的頻率是開關管的兩倍。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電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準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，它能精準地測出紋波和噪聲電壓值。

　　由于開關電源的品種繁多(有不同的拓撲、工作頻率、輸出功率、不同的技術要求等)，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電源的測量都有自己的標準，即企業(yè)標準。

　　用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開關電源、負載、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;

　　● 要防止負載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾;

　　● 對小型開關型模塊電源，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?shù)妮敵鲭娙荨?/p>

　　為滿足第1條要求，測量連線應盡量短，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;并且測量點應在電源輸出端上，若測量點在負載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第2點，負載應采用阻性假負載。

　　經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生，用戶買回的開關電源或模塊電源，在測量紋波和噪聲這一性能指標時，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術規(guī)格上的指標不符，大大地超過技術規(guī)格上的性能指標要求，這往往是用戶的測量裝置不合適，測量的方法(測量點的選擇)不合適或采用通用的測量探頭所致。

　　幾種測量裝置

　　1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電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。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)標準為20MHz)的示波器。在測量點連接時，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。

　　2 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)點是與實際工作環(huán)境比較接近，缺點是較容易撿拾EMI干擾。

　　圖4 平行線測量裝置

　　3 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，因為通用示波器探頭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

　　4 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準

　　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，其測量的結果是不相同的，若能采用一樣的標準測量裝置來測，則測量的結果才有可比性。近年來出臺了幾個測量紋波和噪聲的標準，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置，如圖10所示。

　　圖10 基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置

　　該標準規(guī)定在被測電源輸出正、負端小于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盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，連接負載的線若越長，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，測試應在溫室條件下，被測電源應輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負載電流。

　　不正確與正確測量的比較
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　　1探頭的選擇

　　圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路及測量正確和不正確的波形圖。若采用普通的示波器探頭來測量(如圖12所示)，由于地線與探頭組成的回路面積太大(由剖面線組成的面積)，它相當于一根“天線”，極易受到EMI的干擾，其輸出的紋波和噪聲電壓相當大(見圖11中右面的示波器波形圖中綠色的紋波和噪聲波形)。若采用專用的測量探頭(如圖13所示)，它的地線極短，探頭與地線組成回路面積較小，受到EMI干擾極小，其輸出紋波和噪聲波形如圖11右面的紅色線所示。這例子說明一般通用示波器的探頭是不能用的。

　　圖11 AAT1121電路測量波形

　　圖12 用普通示波器探頭測得的波形

　　圖13 用專用測量探頭測得的波
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　　2 探頭與測試點的接觸是否良好

　　以金升陽公司的1W DC/DC電源模塊IF0505RN-1W為例，采用專用探頭靠測法，排除外界EMI噪聲干擾，探頭接觸良好時，測出的紋波和噪聲電壓為4.8mVp-p，如圖14所示。若觸頭接觸不良時，則測出的紋波和噪聲電壓為8.4mVp-p，如圖15所示。

　　圖14 電源模塊IF0505RN-1W測試波形(接觸良好)

　　圖15 電源模塊IF0505RN-1W測試波形(接觸不良)

　　這里順便再用普通示波器探頭測試一下，其測試結果是紋波和噪聲電壓為48mVp-p，如圖16所示。

　　圖16 電源模塊IF0505RN-1W測試波形(普通探頭)

　　減小紋波和噪聲電壓的措施

　　開關電源除開關噪聲外，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17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18所示。

　　圖17 開關電源整流波形

　　圖18 開關電源PFC電路

　　開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲，各部分電路的設計及PCB設計有關。例如，采用多相輸出結構，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關電源的開關頻率越來越高;低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達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。
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　　1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19所示(EMI濾波器也稱為電源濾波器)。

　　圖19 開關電源加EMI濾波
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　　2 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，因為超過10kHz時，它已成電感特性了。

　　某些開關頻率在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。
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　　3 采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步

　　為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。
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　　4 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當遠離，減少其相互影響的干擾。

　　例如，用兩個K7805-500開關型模塊組成±5V輸出電源時，若兩個模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離輸出端較遠，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加，如圖20所示。

　　如果在同一塊PCB上有能產(chǎn)生噪聲干擾的電路，則在設計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關電源的相互干擾影響。

　　圖20 K7805-500并聯(lián)
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　　5 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21所示。圖21左圖是單輸出，圖21右圖是雙輸出。

　　圖21 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。

　　6 增加LDO

　　在開關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22)，輸出噪聲可達μV級。

　　圖22 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，則在開關電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標準電壓了，并且其損耗也不大。
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　　7 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)響應及減小輸出電容。