開關(guān)電源的紋波和噪聲測試方法

1、開關(guān)電源的紋波和噪聲（圖）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)點是 轉(zhuǎn)換效率高，一般可達 80% 85%高的可達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 位是卩V。本文簡單地介紹開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和

2、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)電源輸岀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。紋波是輸岀直流電壓的波動，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”輸岀端，形成一個充電和放電的 過程，從而造成輸岀電壓的波動， 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

3、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)洹㈦娐分械募纳鸂顟B(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-po圖1紋波和噪聲的波形紋波和噪聲的測量方法因此如何精準(zhǔn)測量是一個十分重要問題。目前測量紋波和噪聲紋波和噪聲電壓是開關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一, 電壓是利用寬頻帶示波器來測量的方法，它能精準(zhǔn)地測岀紋波和噪聲電壓值。由

4、于開關(guān)電源的品種繁多（有不同的拓?fù)?、工作頻率、輸岀功率、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)部無輸岀電容或輸岀

5、電容較小，所以在測量時要加上適當(dāng)?shù)妮攲珉娙?。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；并且測量點應(yīng)在電源輸岀端上，若測量點在負(fù)載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第2點，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300m（ 12英

6、寸）長、#16AW戯規(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 4T F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1卩F, C2是鉭電解電容，容量是10卩F兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸岀電壓值的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E

7、MI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岀正極，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，造成較大的噪聲輸岀，虛線面積越大，受干擾的影響越大，如圖6所示。GND圖7同軸電纜測量裝置1圖7同軸電纜測量裝置1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（50 Q ）后接示波 器的AC輸入端；圖

8、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0.68卩F陶瓷電容及1個47Q /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。囂iglH吶 t upvMMGHD Ui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。近年來岀臺了幾個測量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)， 本文將介紹一種基于 JEITA-RC9131A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置，如圖 10所示。T圖10基于JE

9、ITA-RC9131A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置該標(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22卩F電解電容，C3為0.47卩F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50Q同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Q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，則測岀的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必 要連接C2及C3o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，輸岀額定電

10、壓及額定負(fù)載電流。不正確與正確測量的比較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(dāng)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(dāng)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12用普通示波器探頭測得的波形圖1

11、2用普通示波器探頭測得的波形圖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15電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸不良）圖15電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸不良）圖14電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸良好）這里順便再用普通示波器探頭測

12、試一下，其測試結(jié)果是紋波和噪聲電壓為48mVp_p,如圖16所示圖15電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸不良）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(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(guān)電源（AC/DC轉(zhuǎn)換器）在電路增加了功率因數(shù)校正（PFQ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(guān)電源整流波形圖18開

13、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)?，各部分電路的設(shè)計及 PCE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?，F(xiàn)在的開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高；低的是幾十kHz, 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。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(guān)電源加EMI濾波2在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容采用高分子聚

14、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68卩F，其在20C、100kHz時的等效串聯(lián)電阻（ESR最大值為25mQ ,最大的允許紋波電流 （在100kHz時）為2400mArms其尺寸為：7.3mm（長）X4.3mm （寬）x 1.8mm（高）， 其型號為10TPE68M（貼片或封裝）。紋波電壓 VOUT為： VOUT衣 IOUTX ESR（1）若 IOUT=0.5A，ESR=25血，貝U VOUT=

15、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100卩F，在20C、120Hz時的等效串聯(lián)電阻為5.0 Q ,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(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3采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步為減小輸岀噪聲，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。4避

16、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岀噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠離，減少其相互影響的干擾。例如，用兩個K7805-500開關(guān)型模塊組成土 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，且焊接處離輸岀端較遠，則有可能輸岀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(shè)計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關(guān)電源的相互干擾影響。*VinK7&X X-5003*Voutit廠GMDTC3 丄

17、2C4*GND p1H78XX-5G032Cl-工B-VoutJrC圖 20 K7805-500 并聯(lián)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左圖是單輸岀，圖21右圖是雙輸岀。圖21在DC/DC模塊中加入LC濾波器在表1及表2中列出1WDC/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采用卩H極的，其直流電阻要低，以免影響輸岀電壓精度。41壞同電用 K）齟輸出DC/DC模塊% ciUfSt氛九卜l：V9V1ly Fl：V3.2n F1叩凰輸出）5（權(quán)堆,%一 lllT5勺了SV7 mF1.7m Fuv9V2.：uF2( 1 nE畝IpF(L17 mK6增加LDO在開關(guān)電源或模塊電源輸岀后再加一個低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO能大幅度地降低輸岀噪聲，以