开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法资料下载

    开关电源（包括 AC/DC 转换器、DC/DC 转换器、AC/DC 模块和 DC/DC 模块）与线性电源相比 较，突出的优点是转换效率高，一般可达 80%～85%，高的可达 90%～97%；其次，开关电 源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，不仅重量减轻，体积也减小了，因此应用范围 越来越广。但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压 较大，一般为输出电压的 1%左右（低的为输出电压的 0.5%左右），好产品的纹波和噪声 电压也有几十 mV；而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也 较小，其单位是 μV。      本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹 波和噪声的措施。  纹波和噪声产生的原因      开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波 是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被 “泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关 的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和 输出电容的容量及品质有关。      噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰（EMI）， 它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。  开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲 所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪 声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及 PCB 的设计有关。      利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图 1 所示。纹波的频率与开关管频率相同，而噪 声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电 压，其单位是 mVp-p。 纹波和噪声的测量方法      纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。 目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电 压值。      由于开关电源的品种繁多（有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等），但 是各生产厂家都采用示波器测量法，仅测量装置上不完全相同，因此各厂对不同开关电源的 测量都有自己的标准，即企业标准。  用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图 2 所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测 量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。      从图 2 来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。测纹波和噪声电压 的要求如下：  ● 要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受 EMI 的影响；  ● 要防止负载电路中可能产生的 EMI 干扰；  ● 对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适 当的输出电容。      为满足第 1 条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线（消除共模噪声干扰）或同轴电缆； 一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点 在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第 2 点，负载应采用阻性假负载。      经常有这样的情况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和噪声这一性能指标 时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是 用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致。 几种测量装置  1 双绞线测量装置  双绞线测量装置如图 3 所示。采用 300mm（12 英寸）长、#16AWG 线规组成的双绞线与被测 开关电源的+OUT 及-OUT 连接，在+OUT 与-OUT 之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个 4TμF 电解电容（钽电容）后输入带宽为 50MHz（有的企业标准为 20MHz）的示波器。在测 量点连接时，一端要接在+OUT 上，另一端接到地平面端。      这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。  2 平行线测量装置      平行线测量装置如图 4 所示。图 4 中，C1 是多层陶瓷电容（MLCC），容量为 1μF，C2 是钽 电解电容，容量是 10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的 2%。该测量方法 的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾 EMI 干扰。  3 专用示波器探头      图 5 所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探 头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极（GND），接触要可靠。      这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容 易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如图 6 所示。  4 同轴电缆测量装置      这里介绍两种同轴电缆测量装置。图 7 是在被测电源的输出端接 R、C 电路后经输入同轴电 缆（50Ω）后接示波器的 AC 输入端；图 8 是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两 端串接 1 个 0.68μF 陶瓷电容及 1 个 47Ω/1w 碳膜电阻后接入示波器。T 形 BNC 连接器和电 容电阻的连接如图 9 所示。