電源紋波噪聲測(cè)試

1、開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲時(shí)間：2009-09-0709:10:59來(lái)源：今日電子/21ic作者：北京航空航天大學(xué)方佩敏開(kāi)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(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)80%85%,高的可達(dá)90%97%;其次，開(kāi)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(lái)越廣。但開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開(kāi)關(guān)管工作于高頻開(kāi)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(wú)紋波電

2、壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是"V。本文簡(jiǎn)單地介紹開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測(cè)量方法、測(cè)量裝置、測(cè)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(kāi)關(guān)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(dòng)，與開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開(kāi)、關(guān)過(guò)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(guò)程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率與開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場(chǎng)的干擾（EMI）,它能通

3、過(guò)輻射進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源或者通過(guò)電源線輸入開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱為開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管頻率相同，而噪聲的頻率是開(kāi)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-p圖1紋波和噪聲的波形紋波和噪聲的測(cè)量方法紋波和噪聲電壓是開(kāi)關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測(cè)量是一個(gè)十分重要問(wèn)題。目前測(cè)量紋波和噪聲

4、電壓是利用寬頻帶示波器來(lái)測(cè)量的方法，它能精準(zhǔn)地測(cè)出紋波和噪聲電壓值。由于開(kāi)關(guān)電源的品種繁多（有不同的拓?fù)?、工作頻率、輸出功率、不同的技術(shù)要求等），但是各生產(chǎn)廠家都采用示波器測(cè)量法，僅測(cè)量裝置上不完全相同，因此各廠對(duì)不同開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。用示波器測(cè)量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測(cè)開(kāi)關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測(cè)量連線組成。有的測(cè)量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。圖2示波器測(cè)量框圖從圖2來(lái)看，似乎與其他測(cè)波形電路沒(méi)有什么區(qū)別，但實(shí)際上要求不同。測(cè)紋波和噪聲電壓的要求如下:要防止環(huán)境的電磁場(chǎng)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)

5、生的EMI干擾;對(duì)小型開(kāi)關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無(wú)輸出電容或輸出電容較小，所以在測(cè)量時(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙?。為滿足第1條要求，測(cè)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(zhuān)用示波器2點(diǎn)，負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。探頭；并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差。為滿足第經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生，用戶買(mǎi)回的開(kāi)關(guān)電源或模塊電源，在測(cè)量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符，大測(cè)量探頭所大地超過(guò)技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求，這往往是用戶的測(cè)量裝置不合適，測(cè)量的方法（測(cè)量點(diǎn)的選擇）不合適或采用通用的致。幾種測(cè)量裝置1雙絞線測(cè)量裝

6、置雙絞線測(cè)量裝置如圖3所示。采用300mm（12英寸）長(zhǎng)、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測(cè)開(kāi)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(gè)4TliF電解電容（鋰電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz）的示波器。在測(cè)量點(diǎn)連接時(shí)，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。圖3雙絞線測(cè)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(cè)量裝置平行線測(cè)量裝置如圖4所示。圖4中，C1是多層陶瓷電容（MLCC）,容量為1（iF,C2是鋰電解電容，容量是10gF»兩條平行銅箔帶EMI干擾。的電壓降之和小于輸

7、出電壓值的2%。該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工作環(huán)境比較接近，缺點(diǎn)是較容易撿拾圖4平行線測(cè)量裝置3專(zhuān)用示波器探頭圖5所示為一種專(zhuān)用示波器探頭直接與波測(cè)電源靠接。專(zhuān)用示波器探頭上有個(gè)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(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?yàn)橥ㄓ檬静ㄆ魈筋^的地線不屏蔽且較長(zhǎng)，容易撿拾外界電磁場(chǎng)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。一1圖6通用探頭易造成干擾4同軸電纜測(cè)量裝置這里介紹兩種同軸電纜測(cè)量裝置。圖7是在被測(cè)電源的輸出端接同軸電纜直接接電源輸出端，在同軸電纜的兩端串接1個(gè)0.

8、68電容電阻的連接如圖9所示。一一;II，不0*34髯AGND1R、C電路后經(jīng)輸入同軸電纜（50Q）后接示波器的AC輸入端；圖8是XF陶瓷電容及1個(gè)47Q/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和CAMMDDpV圖7同軸電纜測(cè)量裝置1圖10基于JEITA-RC9131A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置圖8同軸電纜測(cè)量裝置2該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測(cè)電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個(gè)電容C2及C3,C2為22(iF電解電容，C3為0.47gF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接負(fù)載及不超過(guò)1.5m長(zhǎng)白550Q同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個(gè)50Q的電阻R和串接一個(gè)4700pF的電容C1后接入示波器，示波器的帶寬

9、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(zhǎng)，則測(cè)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(zhǎng)，則紋波和噪聲的測(cè)量不可能精確另外，測(cè)試應(yīng)在溫室條件下，被測(cè)電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。不正確與正確測(cè)量的比較1探頭的選擇圖9T形BNC連接器和電容電阻的連接紋波和噪聲的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)以上介紹了多種測(cè)量裝置，同一個(gè)被測(cè)電源若采用不同的測(cè)量裝置，其測(cè)量的結(jié)果是不相同的，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置來(lái)測(cè)，則測(cè)量的結(jié)果才有可比性。近年來(lái)出臺(tái)了幾個(gè)測(cè)量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131

10、A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置，如圖10所示圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路及測(cè)量正確和不正確的波形圖。若采用普通的示波器探頭來(lái)測(cè)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(jiàn)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(zhuān)用的測(cè)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(shuō)明一般通用示波器的探頭是不能用的。TTT圖11AAT1121電路測(cè)量波形圖13用專(zhuān)用測(cè)量探頭測(cè)得

11、的波2探頭與測(cè)試點(diǎn)的接觸是否良好以金升陽(yáng)公司的1WDC/DC電源模塊IF0505RN-1W為例，采用專(zhuān)用探頭靠測(cè)法，排除外界EMI噪聲干擾，探頭接觸良好時(shí)，測(cè)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(shí)，則測(cè)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(cè)試波形（接觸良好）圖15電源模塊IF0505RN-1W測(cè)試波形（接觸不良）這里順便再用普通示波器探頭測(cè)試一下，其測(cè)試結(jié)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(cè)試波形（普通探頭）減小紋波和噪聲電壓的措施開(kāi)關(guān)電源除開(kāi)關(guān)噪聲外，在AC/D

12、C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(huì)增加噪聲輸出。良好的開(kāi)關(guān)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(duì)電網(wǎng)的7虧染。電路圖如圖18所示圖17開(kāi)關(guān)電源整流波形圖18開(kāi)關(guān)電源PFC電路開(kāi)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(jì)及PCB設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高；低的是幾十kHz,一般是幾百kHz,而高的可達(dá)

13、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(jiǎn)單的辦法是在電源電路中加無(wú)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(chǎng)輻射干擾。為減少?gòu)碾娫淳€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(kāi)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合物固態(tài)電解質(zhì)的鋁或鋰電解電容作輸出電容是最佳的，其特點(diǎn)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，一種高分子聚合物色固態(tài)電解電容為6

14、8"F,其在20C、100kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻（ESR）最大值為25n-Q,最大的允許紋波電流（在100kHz時(shí)）為2400mArms,其尺寸為：7.3mm（長(zhǎng)）M.3mm（寬）M.8mm（高），其型號(hào)為10TPE68M（貼片或封裝）。紋波電壓AVOUT為：AVOUT=AIOUTXESR（1）若IOUT=0.5A,ESR=25m,則VOUT=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（iF,在20C、120Hz時(shí)的等效串聯(lián)電阻為5.0Q,最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右，無(wú)法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量

15、也無(wú)效，因?yàn)槌^(guò)10kHz時(shí)，它已成電感特性了。某些開(kāi)關(guān)頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容（MLCC）或鋰電解電容作輸出電容的效果也不錯(cuò)，其價(jià)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出噪聲，電源的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開(kāi)關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開(kāi)關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。4避免多個(gè)模塊電源之間相互干擾在同一塊PCB上可能有多個(gè)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(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。例如，用兩個(gè)K7805-500開(kāi)關(guān)型

16、模塊組成±5V輸出電源時(shí)，若兩個(gè)模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離圖21在DC/DC模塊中加入LC濾波器輸出端較遠(yuǎn)，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(shè)計(jì)PCB時(shí)要采取相似的措施以減少干擾電路對(duì)開(kāi)關(guān)電源的相互干擾影響圖20K7805-500并聯(lián)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(shí)的電容值。要注意的是，電容量不能過(guò)大而造起動(dòng)問(wèn)題,LC的諧振頻率必須與開(kāi)關(guān)頻率要錯(cuò)開(kāi)以避免相互干擾，L采用"H極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。6增力口LDO在開(kāi)關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)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(duì)噪聲特別有要求的電路需要（見(jiàn)圖22）,輸出噪聲可達(dá)11V級(jí)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右圖是雙在I修出國(guó)'/國(guó)他用的屯靠“對(duì)電死F）葩輸曲口C/DC模塊乂播出欖注*一7心'K78XX-5