電源紋波的測量和抑制

摘要：本文介紹了電源電壓紋波和紋波系數(shù)的概念。提出四種抑制電源紋波的方法：RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環(huán)濾波法以及組合濾波法。通過實(shí)驗(yàn)得到四種方法的濾波效果，并總結(jié)了它們的優(yōu)缺點(diǎn)。通過比較得出，使用組合濾波方法可以有效降低電源紋波。

引言

　　電源的主要作用是為電子產(chǎn)品提供電能，但供電的同時不可避免地會引入紋波、噪聲等，使電子系統(tǒng)甚至整個產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠度降低。電壓紋波能極大地影響到電源的各個電路，如A/D變換電路、運(yùn)算放大電路、整流濾波電路等。通常的應(yīng)用中有以下危害：產(chǎn)生不期望出現(xiàn)的諧波而造成過壓或過流引發(fā)事故;增加附加損耗，降低用電設(shè)備的效率和利用率;使設(shè)備運(yùn)行不正常、加速老化、縮短壽命;使繼電保護(hù)、自動裝置、計算機(jī)系統(tǒng)等設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正?；虿荒苷幼?使測量和計量儀器儀表出現(xiàn)偏差;干擾通信系統(tǒng)，降低信號傳輸質(zhì)量，甚至損壞通信設(shè)備。因此，在設(shè)計電子產(chǎn)品時，需要準(zhǔn)確地測量紋波，并將紋波抑制在一定范圍內(nèi)。

1 電源紋波及紋波系數(shù)

　　嚴(yán)格來講，穩(wěn)壓電源包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分。由于DC-DC也可看作是一種穩(wěn)壓電源，所以把整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路看成是穩(wěn)壓電源的必要三部分^[1]。整流電路是利用單向?qū)щ娖骷⒔涣麟娹D(zhuǎn)換成脈動直流電，脈動直流電不平滑，含有大量交流電成分。濾波電路是利用儲能元件把脈動直流電轉(zhuǎn)換成比較平坦的直流電，由于濾波電路性能各異，雖可以濾去大部分的交流電成分，但不能完全濾除。整流濾波后的穩(wěn)壓電路是利用電路的調(diào)整作用使輸出電壓穩(wěn)定，使交流電成分降低到最小。這種伴隨穩(wěn)定電壓輸出的不能完全濾除的交流電成分叫紋波電壓。

　　為了表征直流穩(wěn)壓電源濾波的性能，引入紋波系數(shù)的概念^[2-3]。定義紋波系數(shù)ψ為紋波電壓有效值Vr與直流輸出電壓Vo的百分比值，即：

　　紋波系數(shù)是評價直流電源穩(wěn)定純凈輸出的重要指標(biāo)。根據(jù)上式可知，求紋波系數(shù)需測量紋波電壓。

2 電源紋波的測量

　　準(zhǔn)確測量電源紋波一般需要兩種儀器，即電子負(fù)載(Electronic Load)和數(shù)字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。電子負(fù)載方便調(diào)整電流，一般設(shè)定在恒阻模式(CR);數(shù)字存儲示波器能直接捕獲整個紋波波形，存儲放大并讀出紋波數(shù)值。將示波器讀值代入公式，可得到紋波系數(shù)。

　　測量時，必須要注意以下兩點(diǎn)(這兩點(diǎn)對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性尤為重要)：

　　(1)數(shù)字存儲示波器的探頭地線必須拔掉，改用探頭組件中的接地彈簧針?？梢苑乐钩霈F(xiàn)地環(huán)路耦合進(jìn)EMI噪聲，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。如圖1所示，探頭地線過長且環(huán)路面積過大，形成了接收天線、高頻雜波或EMI噪聲會耦合進(jìn)所測信號。

　　圖2所示為安裝接地彈簧針的探頭，環(huán)路面積大大減小，使測量更為準(zhǔn)確。

　　(2)數(shù)字存儲示波器本身需要調(diào)整設(shè)置。數(shù)字存儲示波器需有良好的接地，進(jìn)一步濾去從電源端附加進(jìn)來的雜波;使用數(shù)字存儲示波器的交流耦合，阻擋直流，使紋波測試更為直觀準(zhǔn)確;一般的紋波測試都要求頻率限制在20MHz以下，因此數(shù)字存儲示波器應(yīng)打開20MHz帶寬限制，隔離高頻噪聲。

3 抑制電源紋波的方法

　　抑制穩(wěn)壓電源輸出電壓的紋波，一般采取的方法有以下四種：RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環(huán)濾波法以及三種方法的組合。

　　通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證說明抑制DC-DC電源紋波的濾波電路。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中選取100W DC-DC電源，48V輸入，5V輸出，型號為Meanwell的SD-100C-5。數(shù)字存儲示波器選擇GWINSTEK的GDS-1072B，帶寬為70MHz，采樣率為1GSa/s，每通道存儲深度最高為10M。電子負(fù)載選擇GWINSTEK的PEL-3021，電壓范圍為1.5V~150V，電流范圍為0~35A，功率為175W。據(jù)此計算可知，電路中最大電流為20A。圖3為電源紋波測試的連接框圖。

　　為了使抑制電源紋波的效果更直觀明顯，先將SD-100C-5的濾波電路短接，測量其輸出電壓的紋波。從圖4中可以得到，電源紋波大致為85.6mVpp，有效值為48.2mVrms。

3.1 RLC濾波法

　　RLC濾波法不一定把電阻、電感器和電容器都用上，根據(jù)理論計算和經(jīng)驗(yàn)值，可以采取單獨(dú)電容濾波法以及電感電容組合濾波法，都可取得比較理想的濾波效果。本文為了簡要說明RLC濾波設(shè)計，以單獨(dú)電容濾波法舉例操作闡明其有效性。在SD-100C-5電源輸出端加載由0.1μF和47μF兩個電容并聯(lián)而成的電容濾波器。開啟電源，把電子負(fù)載的輸出電流調(diào)節(jié)到20A。用數(shù)字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖5所示。電源紋波大致為18.4mVpp，有效值為10.2mVrms，和無濾波電路相比，電源輸出紋波減小。

　　如采用LC組合濾波法，在電源輸出端并聯(lián)一個150μF電容器，在輸出端正負(fù)極各串一個6μH的電感器，也能得到類似的結(jié)果，和單獨(dú)的電容濾波法相比有進(jìn)步，但結(jié)果相差不大。

3.2 共模濾波法

　　在SD-100C-5電源輸出端加共模扼流圈以及Y電容器去耦，衰減共模紋波。扼流圈中的寄生電感形成LC濾波器，濾除差模紋波。如圖6是采用共模濾波法的電路圖。

　　開啟電源，把電子負(fù)載的輸出電流調(diào)節(jié)到20A。用數(shù)字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖7所示。電源紋波大致為13.2mVpp，有效值為9.14mVrms。相比RLC濾波法，輸出紋波減少了5.2mVpp。

　　共模扼流圈是在閉合磁環(huán)上繞制方向相反、匝數(shù)相同的線圈。當(dāng)有共模電流流過線圈時，會產(chǎn)生同向的磁場從而增大線圈的感抗，表現(xiàn)為較強(qiáng)的阻尼作用，從而抑制共模電流，達(dá)到濾除紋波的目的^[4]。雖然從以上比較可以看出共模濾波法比RLC濾波法更有效，但值得注意的是，共模扼流圈體積比電容器或電感器要大幾倍，如果考慮電源電路板的有效面積，尤其是開關(guān)電源功率密度要求很高時，則無法使用共模扼流圈。

3.3 鐵氧體磁環(huán)濾波法

　　在SD-100C-5電源輸出端的電源接線上直接穿繞一個鐵氧體磁環(huán)，如圖8所示。為了更能說明濾波效果，選用TDK的夾扣式鐵氧體磁環(huán)。開啟電源，把電子負(fù)載的輸出電流調(diào)節(jié)到20A。用數(shù)字存儲示波器測量輸出電壓的紋波，紋波大小如圖9所示。電源紋波大致為12.4mVpp，有效值為10.1mVrms。和共軛濾波法相比非常接近，但鐵氧體磁環(huán)簡單，可以根據(jù)電源的尺寸要求做相應(yīng)的定制。因此它目前已廣泛應(yīng)用在印制電路板、數(shù)據(jù)線和電源線的濾波上。

　　鐵氧體磁環(huán)的使用頻率從1kHz到100MHz，主要用在高頻的尖波抑制、雜波濾除和EMI濾波。鐵氧體磁環(huán)在低頻段主要表現(xiàn)為感抗，濾波效果不是很明顯;在高頻段時，阻抗由電阻成分構(gòu)成。當(dāng)高頻信號通過鐵氧體磁環(huán)時，電磁干擾被吸收并轉(zhuǎn)換成熱能的形式耗散掉。因此，鐵氧體磁環(huán)要盡量安裝在靠近干擾源的地方。它們在線路中對高頻成分所呈現(xiàn)的電阻大約是十至幾百Ω，因此，它在高阻抗電路中的作用并不明顯，相反，在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效。

3.4 組合濾波法

　　實(shí)際的電源濾波電路設(shè)計中，為了使濾波效果更好，一般選擇幾種濾波方法的組合。其中比較簡單有效的辦法是電容濾波法和鐵氧體磁環(huán)的組合，在SD-100C-5電源輸出端并聯(lián)一個電容濾波器，在電源輸出線上穿繞鐵氧體磁環(huán)。開啟電源，調(diào)節(jié)電子負(fù)載，使其電流輸出達(dá)到20A。用數(shù)字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖10所示。電源紋波大致為8.80mVpp，有效值為8.35mVrms。和以上三個濾波方法相比，組合濾波法效果最明顯。

　　通過表1比較分析可得，使用組合濾波法抑制電源紋波后，電源紋波電壓為8.80mVPP，有效值為8.35mVrms，紋波系數(shù)為0.167%，遠(yuǎn)低于0.5%，達(dá)到的濾波效果是比較好的。RLC濾波和鐵氧體濾波效果差不多，紋波系數(shù)分別為0.204%和0.202%，效果劣于共模濾波。同時考慮共模扼流圈的體積，其應(yīng)用范圍受到限制。當(dāng)把RLC濾波法和鐵氧體磁環(huán)濾波法組合時，其抑制電壓紋波效果最好。由于RLC濾波法和鐵氧體磁環(huán)濾波法都簡單而易于操作，所以在設(shè)計濾波電路時，應(yīng)權(quán)衡系統(tǒng)對電源的要求和預(yù)算的大小，重點(diǎn)采用這兩種濾波方法或其組合。

　　現(xiàn)在的電子產(chǎn)品由于體積的要求越來越嚴(yán)格，其電源部分大都采用開關(guān)電源模塊。因此電源設(shè)計工程師一定要考慮開關(guān)電源的紋波抑制和電路板的合理布局。本文提出的濾波方法，為電源設(shè)計工程師提供了一定的參考，可以綜合考慮所設(shè)計的電源大小、技術(shù)要求、用途和預(yù)算，恰當(dāng)?shù)剡x擇合適的濾波方法，設(shè)計出符合市場需求的合格電源。

4 結(jié)論

　　通過以上實(shí)驗(yàn)和分析可以得到常用濾波方法的組合，能有效抑制電源紋波。在濾波電路設(shè)計比較嚴(yán)格和預(yù)算準(zhǔn)許的情況下，可以采用組合濾波法抑制電源紋波，從而提高電源的穩(wěn)定性與可靠性。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]吳潤宇，軒蔭華.穩(wěn)定電源[M].北京：人民郵電出版社，1984：20-25

　　[2]徐煥溶.直流穩(wěn)壓電源的紋波測量問題[J].計測技術(shù)，2008，28(5)： 67-69

　　[3]同金，馬煜峰.直流電源輸出的紋波和噪聲的測量[J].電子測試，2010(2): 88-90

　　[4]遠(yuǎn)坂俊昭.測量電子電路設(shè)計[M].彭軍，譯.北京：科學(xué)出版社，2006： 179-189

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第4期第45頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。