電源紋波的產(chǎn)生、測(cè)量和抑制

1 引 言

對(duì)于電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)唯一不可缺少的是電源，但是它除了提供能量外，也帶來(lái)了紋波、噪聲等影響電子產(chǎn)品正常工作的影響。紋波電壓對(duì)高放、本振、混頻、濾波、檢波、A/D變換等電路都會(huì)產(chǎn)生影響，在設(shè)計(jì)控制設(shè)備、電子儀器、電視、攝像機(jī)等電子產(chǎn)品時(shí)都要想辦法盡量減小紋波。為此就要了解紋波、知道它是如何產(chǎn)生的、如何測(cè)量以及抑制方法。
2 電源紋波

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(hào)，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。

紋波用示波器可以看到，在直流電壓上下輕微波動(dòng)，就像水平面上波動(dòng)的水紋一樣，所以被稱為紋波（見圖1）。

圖1 RIGOL示波器DS1302觀察的紋波信號(hào)波形

2.1 電源紋波產(chǎn)生

我們通常在產(chǎn)品中用的電源主要有線性電源和開關(guān)電源二大類，輸出的直流電壓是一個(gè)固定值，由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到。由于濾波不干凈，直流電壓中含有交流成分，這就產(chǎn)生了紋波。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它是圍繞輸出直流電壓上下來(lái)回波動(dòng)的周期性信號(hào)，但周期和振幅不是定值，隨時(shí)間而變，不同電源的紋波波形不一樣。

產(chǎn)生電源紋波的因素有許多，即使你用電池供電也會(huì)因負(fù)載的波動(dòng)而產(chǎn)生波紋。

線性電源

由于我國(guó)供電頻率是50Hz，所以它的紋波主要來(lái)自工頻50Hz變壓器，紋波電壓的頻率常常是50nHz，n取自然數(shù)，大小取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流，是1；對(duì)于全波整流，是2；對(duì)于三相全波整流，是6，即300Hz。所以這種電源的輸出端紋波主要是50HZ或它的整數(shù)倍，幅值小，較易濾除，通常紋波可做到幾mV。

如假定整流橋輸出負(fù)載電流IL，負(fù)載電壓VL，整流橋輸人交流電壓幅值Vm及其輸人交流電壓頻率f，則其輸出的紋波電壓由表1各式計(jì)算。表1 整流紋波電壓

采用功率匹配法或等效電流源法計(jì)算紋波電壓，一般表示為：

△U＝ILsin2wt／(2wC) (1)

從式(1)中可以看出，紋波頻率為輸人頻率的兩倍，其幅值正比于變換器的輸出電流，反比于輸人電壓頻率和平滑電容的大小。

開關(guān)電源

產(chǎn)生的紋波比較復(fù)雜、很難濾除且幅值較大。主要來(lái)源于五個(gè)方面:除低頻紋波外還有高頻紋波、共模噪聲、開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲和調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。一般開關(guān)電源的紋波比線性電源的紋波要大，頻率要高。

①高頻紋波。高頻紋波來(lái)源于開關(guān)變換電路。開關(guān)電源的開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升和下降時(shí)間，這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)上升與下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。還有高頻變壓器的漏感也會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。這些噪聲一般叫做高頻紋波噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

如假設(shè)輸出整流電容Cf有限，實(shí)際電容也有損耗，流進(jìn)電容的電流ics是脈動(dòng)的，使Vo脈動(dòng)，形成紋波電壓。假定D為占空比、L為儲(chǔ)能電感、C為濾波電容、fs為開關(guān)頻率，則常用的4種基本類型變換器的輸出紋波電壓列于表2。表2 高頻紋波電壓

從表2可以看出，通常高頻的輸出噪聲，大小與開關(guān)電源的頻率和輸出濾波器有關(guān)。電源的開關(guān)頻率越高，電感和電容值越大，則輸出紋波越小。

②共模噪聲。功率器件與散熱器底板和變壓器原邊與副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí)，導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出端產(chǎn)生共模紋波嗓聲。

③開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲。隨著開關(guān)的開啟和關(guān)閉的切換，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)同頻率的紋波。

④調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。實(shí)際電路中控制環(huán)路要有時(shí)間響應(yīng)，不能做到線性調(diào)節(jié)，故輸出電壓瞬間會(huì)忽高忽低，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩，由此產(chǎn)生了紋波噪聲。

2.2 紋波電壓危害

在調(diào)試產(chǎn)品時(shí)會(huì)遇到以下這些現(xiàn)象：

喇叭或聽筒發(fā)生嗡嗡的雜音，這可能是音頻范圍內(nèi)的類似正弦波的紋波信號(hào)推動(dòng)喇叭的紙盆或話機(jī)的聽筒而形成雜音；

調(diào)試信號(hào)放大系統(tǒng)時(shí)，能看到紋波電壓對(duì)放大信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，形成雜波；

如果電視圖像的背景上有細(xì)橫條向上或向下滾動(dòng)，可能是由激勵(lì)器中調(diào)制、校正等中頻單元的供電電源紋波過(guò)大引起。

以上現(xiàn)象都可能是紋波在搗亂。紋波電壓高了，有可能使電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波、調(diào)制等，干擾正常的工作狀態(tài)；導(dǎo)致電源效率降低；影響數(shù)字電路的邏輯關(guān)系；干擾信號(hào)的正常傳遞等等。較強(qiáng)的紋波會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，有可能燒毀用電設(shè)備。要使紋波足夠小，必須準(zhǔn)確地測(cè)出紋波的大小。

3 電源紋波測(cè)量

電源紋波的測(cè)量分兩大類，一類是單獨(dú)電源的鑒定，另一類是產(chǎn)品的調(diào)試測(cè)量。

在電源行業(yè)和電源用戶對(duì)電源鑒定時(shí)，要求選擇在(20±5)℃的室內(nèi)進(jìn)行，濕度應(yīng)小于80%，周圍對(duì)測(cè)量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾應(yīng)減到最小，標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢電源應(yīng)在以上的檢定環(huán)境下放置24h以上。對(duì)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。除選低噪聲的純阻性負(fù)載或電子負(fù)載外，還要選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果。

紋波電壓可以用絕對(duì)量，也可以用相對(duì)量來(lái)表示。紋波電壓幅度與直流電壓幅度之比稱為電源的紋波系數(shù)，常用對(duì)數(shù)方式表示。例如一個(gè)電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為10V/1A，測(cè)得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對(duì)量。而相對(duì)量即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/10V=0.1%，即等于千分之一。電源紋波的測(cè)量可以用毫伏表或示波器。

3.1 示波器測(cè)量電源紋波

目前常用示波器來(lái)測(cè)量電源紋波，除了可測(cè)量紋波的各種電壓值，還可以看到波形。如使用數(shù)字示波器，注意存儲(chǔ)深度和干擾，否則可能造成無(wú)法正確的測(cè)量。可以用模擬示波器，泰克公司生產(chǎn)的示波器有專門配備的電源紋波測(cè)量軟件。

用示波器對(duì)電源紋波測(cè)量的連線方式有以下幾種：

靠連法

使用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，地線環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳，這樣從示波器中讀出的峰峰值為輸出線上的紋波與噪聲，如圖3。

直連法

將地線環(huán)直接與負(fù)輸出管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測(cè)試，如圖4。

絞連法

輸出管腳接雙絞線后接電容，在電容兩端用示波器測(cè)量。

在用以上方法連接測(cè)量時(shí)要注意：首先，根據(jù)要求規(guī)定示波器測(cè)量紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，一般帶寬上限設(shè)為20MHz，為了濾除疊加的直流電壓，采用AC耦合輸入方式；其次，摘掉探針的“帽子”，直接用探頭的屏蔽地和信號(hào)輸出地連接，減短長(zhǎng)接地引線形成的天線；為減小探頭感應(yīng)的影響，多數(shù)情況下都采用在探頭接入點(diǎn)的位置并聯(lián)小電解電容和瓷片電容，并聯(lián)電容可以減少外界干擾信號(hào)進(jìn)入示波器，也可以將一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少高頻拾取。此外，把示波器引線繞在鐵芯上可減小共模電流，因?yàn)檫@樣會(huì)形成一個(gè)不影響差分電壓測(cè)量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測(cè)量誤差的共模電感，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。

3.2 交流毫伏表測(cè)量電源紋波

用交流毫伏表來(lái)測(cè)量紋波電壓，是因?yàn)楹练碇粚?duì)交流電壓響應(yīng)，并且靈敏度高，可測(cè)量很小的交流電壓，而紋波往往是比較小的交流電壓。毫伏表可直接讀出紋波電壓的有效值、峰值和平均值。但結(jié)果與毫伏表的頻響有關(guān)，在使用交流數(shù)字電壓表時(shí)，要注意其頻響范圍，不同范圍會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果。

4 電源紋波抑制

抑制紋波電壓的通常做法是，加大濾波電路中電容容量，或采用LC濾波電路，或采用多級(jí)濾波電路；以線性電源代替開關(guān)電源；合理布線等。但如果能有針對(duì)的采取措施可能會(huì)起到事半功倍的效果。

4.1 低頻紋波的抑制

對(duì)開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來(lái)消除。低頻紋波是輸入整流紋波通過(guò)DC/DC變換器傳遞到輸出的，它的大小取決于整流濾波電容器的電容量和反饋調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器性能。根據(jù)開關(guān)電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反比，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比。所以加大電容值和電感值可以減小輸出紋波。適當(dāng)配置調(diào)節(jié)器的參數(shù)，增大交流反饋，也可以有效地降低紋波。

4.2 高頻紋波的抑制

輸出紋波從頻譜上分主要由低頻紋波、開關(guān)頻率紋波和尖峰三個(gè)方面組成。而尖峰是紋波的主要部分，它的大小基本決定了紋波的大小。因?yàn)楦哳l變壓器初級(jí)、次級(jí)存在漏感，開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的瞬間，漏感中的電流無(wú)法釋放便產(chǎn)生了尖峰。整流尖峰的產(chǎn)生原因是高頻整流管的PN結(jié)存在結(jié)電容，整流管在導(dǎo)通和截止的瞬間，結(jié)電容的充放電也會(huì)產(chǎn)生尖峰。從示波器中可看到開關(guān)電源輸出尖峰的頻率約50MHz～100MHz，遠(yuǎn)高于濾波電感器的截止頻率，不能用常規(guī)的電感濾波方式來(lái)解決。實(shí)際工作中只能采取減小變壓器漏感和采用軟恢復(fù)特性的高頻整流管；采用高頻濾波器；采用多級(jí)濾波；提高開關(guān)電源工作頻率。

4.3 共模紋波的抑制

對(duì)于共模紋波嗓聲的常用方法:

（1）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；

（2）采用EMI濾波器；

（3）降低開關(guān)毛刺幅度。

4.4 控制環(huán)路的抑制

控制環(huán)路參數(shù)不適當(dāng)會(huì)引起紋波，當(dāng)輸出端波動(dòng)時(shí)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率。抑制方法有：

（1）調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大；

（2）合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)過(guò)大會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋波增加，放大倍數(shù)過(guò)小使輸出電壓穩(wěn)定性變差，所以調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中應(yīng)根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）低噪聲低壓差線性調(diào)節(jié)器(LDO)。電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但成本很高，功耗較大。4.5 PCB設(shè)計(jì)

開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)非常重要，PCB分布參數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)整誤差或?yàn)V波效率變差，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致自激（一般在特定的負(fù)載下發(fā)生）。原則是取樣回路和濾波回路要盡量貼近開關(guān)電源IC，PCB走線不可太長(zhǎng)、太細(xì)。

5 結(jié) 語(yǔ)

電源幾乎對(duì)于每種電子產(chǎn)品都必不可少，電源的性能對(duì)一個(gè)大型系統(tǒng)產(chǎn)生重要的影響。要確保高可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測(cè)量是唯一的辦法。通過(guò)有效的測(cè)量和分析，才能保證得到理想的產(chǎn)品。