電源紋波的產(chǎn)生和危害

一、電源紋波的產(chǎn)生

我們常見的電源有線性電源和開關(guān)電源，它們輸出的直流電壓是由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。由于濾波不干凈，直流電平之上就會附著包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號，這就產(chǎn)生了紋波。在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出直流電壓中的交流電壓的峰值就是通常所說的紋波電壓。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號，它是圍繞著輸出的直流電壓上下來回波動的周期性信號，但周期和振幅并不是定值，而是隨著時間變化，并且不同電源的紋波波形也不一樣。

二、紋波的危害

一般來說紋波是有百害而無一利的，紋波的危害主要有以下幾點：

a.電源中攜帶的紋波會在電器上產(chǎn)生諧波，降低電源的使用效率；

b.較高的紋波可能會產(chǎn)生浪涌電壓或電流，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備運行不正常或加速

設(shè)備老化；

c.在數(shù)字電路中紋波會干擾電路邏輯關(guān)系；

d.紋波還會給通信、測量和計量儀器、儀表帶來噪音干擾，破壞信號的正常測量、計量，甚至損壞設(shè)備。

所以在制作電源的時候，我們都要考慮將紋波降低到百分之幾以下，對紋波要求高的設(shè)備要考慮把紋波降低到更小。

電源紋波的測量方法通常分為兩大類，一類是單獨電源的鑒定，另一類是產(chǎn)品的調(diào)試測量。

在電源行業(yè)和電源用戶對電源鑒定時，要求選擇在室內(nèi)（20℃左右）進(jìn)行，濕度應(yīng)小于80%，周圍對測量有影響的機(jī)械震動及電磁干擾最小，標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢電源應(yīng)在以上的測試環(huán)境下放置24小時以上。

對于純電源來講，測量電源紋波時，要求在加載時測量，所加負(fù)載要使輸出電流大于額定輸出電流的80%以上。

對于低噪聲的純阻性負(fù)載或電子負(fù)載，還要選擇對應(yīng)的測量標(biāo)準(zhǔn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)就會產(chǎn)生不同的測量結(jié)果

紋波電壓可以用絕對量表示，也可用相對量來表示。一般用紋波電壓與直流輸出電壓的比例來評價直流電源的濾波性能，即紋波系數(shù)。紋波系數(shù)作為評價直流電源的一個重要指標(biāo)，其計算方法為紋波電壓的有效值與直流輸出電壓的百分比。

三、電源紋波的測量

測量電源紋波一般采用示波器來測量，常用的有一下三種測量方法：

1） 靠連法

使用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，線環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳，這是由于使得環(huán)路盡量短，這樣從示波器中讀出的峰值為輸出線上的紋波與噪聲。如下圖

2） 直接法

將地線環(huán)直接與負(fù)輸出的管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測試。

3） 絞連法

輸出管腳接雙絞線后接電容，在電容兩端用示波器測量。

測量紋波時候，需要注意的是：要清楚紋波的帶寬上限，紋波為低頻噪聲，所以一般使用不超過紋波帶寬上限太多的示波器。

在測量時，要先打開示波器的帶寬限制功能，把帶寬限制在20MHz，

直接用探頭的屏蔽地和輸出地連接，減少因地線過長產(chǎn)生的環(huán)路干擾。

在探頭接入點的位置并聯(lián)一個較小的瓷片電容和一個小電解電容，濾除外界干擾信號防止進(jìn)入示波器。

四、紋波的抑制方法

電源輸出紋波主要來源于五個方面：低頻輸入紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

抑制這些紋波的通常方法是：加大濾波電路中電容容量、采用LC濾波電路、采用多級濾波電路、以線性電源代替開關(guān)電源、合理布線等。但根據(jù)它的分類，有針對性的采取措施往往會取得事半功倍的效果。

1、高頻紋波的抑制

高頻紋波噪聲多來源于高頻功率變換電路。在高頻功率變換電路中，輸入直流電壓通過高頻功率器件進(jìn)行變換后進(jìn)行整流濾波而實現(xiàn)的穩(wěn)壓輸出中，一般會含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對外電路的影響大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對高頻開關(guān)紋波的濾波要求。

2、低頻紋波的抑制

低頻紋波的大小與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)。電容的容量不能無限制地增加，不可避免的會造成輸出低頻紋波的殘留。交流紋波經(jīng)過DC/DC變換電路進(jìn)行衰減后輸出，屬于低頻噪聲范圍，其大小由控制系統(tǒng)的增益和DC/DC變換電路決定。由于電流型和電壓型控制DC/DC變換電路的紋波抑制能力相對均不高且他們的輸出端低頻交流紋波較大。所以必須對低頻電源紋波采取濾波措施實現(xiàn)電源的低紋波輸出。

有的電源來說，可增大DC/DC變換器閉環(huán)增益電路和采用前級預(yù)穩(wěn)壓電路可以增強(qiáng)紋波的抑制效果、可以通過改變整流濾波器的電容量以及調(diào)節(jié)反饋回路的參數(shù)來實現(xiàn)對低頻紋波的抑制。

3、共模紋波的抑制

共模紋波噪聲一般出現(xiàn)在開關(guān)電源，當(dāng)開關(guān)電源的矩形波電壓作用于功率器件時，與功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間的寄生電容和導(dǎo)線中存在寄生電感相互作用，產(chǎn)生共模紋波噪聲。對于共模紋波噪聲抑制的方法有：

1） 減小控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑制電感及電容；

2） 利用EMI濾波器可以有效的抑制共模紋波的干擾；

3） 降低開關(guān)毛刺幅度。

4、閉環(huán)控制環(huán)路紋波的抑制

閉環(huán)控制環(huán)路紋波的產(chǎn)生原因一般是環(huán)路中的參數(shù)設(shè)置不適當(dāng)，當(dāng)輸出端存在一定波動時，反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出端的波動電壓反饋到調(diào)節(jié)器回路，致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生自激響應(yīng)，從而產(chǎn)生附加紋波。

抑制方法主要有：抑制調(diào)節(jié)器自激響應(yīng)、合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)、調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性、電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的方法。
審核編輯：何安