如何测量直流输出电压中存在的纹波

如果输出信号受纹波影响，则开关转换器的性能可能会大大降低。它的存在在频谱仪中是很明显的。对于所有应用而言，减小输出纹波和开关瞬变至关重要。让我们看看如何注意和如何测量直流输出电压中存在的任何波。

介绍

出于多种原因，开关稳压器中输出纹波的测量是至关重要且精细的操作。测量此有害信号需要格外小心，因为很容易获得错误的读数。纹波是在开关稳压器的输出端出现的有害信号。这取决于调节器本身的质量和所用外部组件的特性。

纹波是交流输出上交流电压的残留，其频率取决于电路的开关。它的基本频率与开关频率相同。识别它的一个重要参数是纹波系数，它等于输出中交流分量的RMS值与整流后输出的平均值之比（参见公式1）。它总是小于团结。

公式1：纹波系数

通常很难准确地进行测量。工程师可能很难使用示波器进行准确的测量。误差源之和必须仅为几个mV。但是对于其他更关键的应用程序（例如医疗应用程序），限制甚至更窄。

用示波器测量纹波

示波器执行纹波测量（请参见图1）。在较高级别上，此选择不是最佳选择。通往示波器尖端的电缆形成一个环路。探针和接地导体会产生寄生电感，会对测量信号产生负面影响。当测得的频率更高时，问题变得更糟。对于此分析，对于某些类型的测量（包括纹波测量），必须使用非常短的电缆和非常高质量的探头。示波器也必须发挥其作用，并具有卓越的质量。它必须具有良好的灵敏度，出色的SNR，高分辨率和足够的带宽。质量不佳的探针是不值得的。当与高输入阻抗一起使用时，低电平示波器具有较高的背景噪声。如果纹波很小，则其可视化将非常不舒适且复杂。必须消除采集信号的直流分量，并放大小交流信号，以测量叠加在直流电源电压上的纹波。因此，交流输入端与与电缆串联的电容C的电容器去耦，从而创建了一个简单的高通滤波器，其特征在于时间常数：

t = 2 x Z x C

从图中可以看出，尽管大约17 V的输出信号是直流电，但它会受到不希望有的交流分量的影响。有时在通过电容器阻塞直流电之后放大交流电很有用。

图1：直流信号中的纹波

用测试仪测量纹波

纹波电压是一个小的交流电压，位于直流偏移上方。即使操作不方便，不准确且具有挑战性，也可以使用数字万用表进行测量。为此，必须连接数字万用表的探头和调节器输出。红色连接到正极端子，黑色连接到负极端子。通过旋转测试仪旋钮选择“交流电压”模式。仪表将仅测量信号的交流分量，纹波电压（如果存在）。显示屏显示纹波电压幅度的测量值。如果显示的值为0.00 mV，则表示很可能不存在纹波。为了正确地表征纹波电压，必须测量其频率。注意测试仪测量的交流电压类型。这可能是一个有效的价值，平均值，峰峰值或其他值。此外，在大多数情况下，纹波波形不是正弦波，但始终需要检查万用表的测量类型。图2所示的简单接线图显示了非常简单的AC / DC电源。组件按比例分配以提供受纹波噪声影响的直流输出信号。

图2：用万用表估算纹波

观察音频频谱

如图3所示，一种检查纹波是否存在的方法涉及辨别输出信号的音频频谱。完美的信号（非常干净且无起伏）应返回黑屏。另一方面，图中的一个是指由先前的接线图产生的电压，该电压也受到电源线上的起伏和干扰的影响。存在纹波信号和相关的谐波（50 Hz，100 Hz，150 Hz等）。在频谱图中，电力线中也经常出现不同性质的峰。

图3：受到纹波影响的DC信号的频谱图

嗡嗡声音频和音频软件

对于高纹波电平，可以采用不太常用的测量方法。其中之一是使用音频分析软件（例如，Audacity）将电源或转换器的输出连接到声卡的输入，并将来自转换器的信号数字化。通过对交流信号进行适当的放大，甚至可以识别出非常低的纹波。图4显示了以前的接线图和相关的频谱图所产生的褶皱，该褶皱突出显示了50 Hz处的波及其谐波。如果纹波频率较低，则可能会在扬声器中爆炸。

图4：出口处出现的波纹

估算降压稳压器中的纹波

为了进行正确的计算，必须忽略主要流经电容器C的电感器电流的纹波（见图5）。电感器上的潮汐包含一个直接分量，该分量也穿过负载以及一个小的纹波。直流电仅流过负载电阻，而电容器会阻止该直流电。皱纹在电容器和负载电阻之间分裂。因此，电容必须足够大，以使其在开关频率下的阻抗大大低于负载的阻抗（至少低十倍）。电容器用作滤波器，因此大部分电感器纹波都通过电容器。带有电感器的电容器上的电流波形是相同的，没有负载。电感器和电容器是影响纹波的电抗性组件。电感值必须仔细分析。低ESR电容器可最大程度地减小纹波。但是随着容量的增加，转换器的成本和尺寸也会增加。有时使用频谱分析仪很有用，因为波动还可以通过其高次谐波表现出来。

图5：降压稳压器中的纹波

升压调节器中的纹波估计

在升压调节器中，输出纹波的百分比可能会因许多因素而异，例如：

•电子元件的质量
•负载的吸收和类型
•平滑电容器和滤波电容器的容量
•电感的值
•开关频率

图6显示了一个简单的升压稳压器，它是由Analog的LTC1872制成的。其他一些外部电子组件也足以构建可用的转换器。

图6：具有Analog的LTC1872的升压调节器

图7中的曲线图显示了两个不同的纹波信号，具体取决于应用了44 uF还是100 uF的滤波电容器。

图7：纹波还取决于滤波电容器的值

结论

纹波几乎总是出现在电源和转换器上，尤其是低端的电源和转换器。使用示波器进行测量时，至关重要的是最小化探头环路面积，以避免信号失真。根据设备的官方文档，还必须遵守电路的工作条件。测量仪器的阻抗也应大约为50欧姆，并且电缆和探头必须遵循相同的阻抗，以提供平坦的响应和统一的增益。

编辑：hfy