開(kāi)關(guān)電源中的紋波和噪聲講解

紋波

紋波：是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)。指在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。

噪聲

噪聲：對(duì)于電子線路中所標(biāo)稱(chēng)的噪聲，可以概括地認(rèn)為，它是對(duì)目的信號(hào)以外的所有信號(hào)的一個(gè)總稱(chēng)。最初人們把造成收音機(jī)這類(lèi)音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào)，稱(chēng)為噪聲。但是，一些非目的的電子信號(hào)對(duì)電子線路造成的后果并非都和聲音有關(guān)，因而，后來(lái)人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。例如，把造成視屏幕有白斑條紋的那些電子信號(hào)也稱(chēng)為噪聲。可能以說(shuō)，電路中除目的的信號(hào)以外的一切信號(hào)，不管它對(duì)電路是否造成影響，都可稱(chēng)為噪聲。例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對(duì)電路造成不良影響，使音響裝置發(fā)出交流聲或?qū)е码娐氛`動(dòng)作，但有時(shí)也許并不導(dǎo)致上述后果。對(duì)于這種紋波或振蕩，都應(yīng)稱(chēng)為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無(wú)線電波信號(hào)，對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來(lái)講，它是正常的目的信號(hào)，而對(duì)另一接收機(jī)它就是一種非目的信號(hào)，即是噪聲。在電子學(xué)中常使用干擾這個(gè)術(shù)語(yǔ)，有時(shí)會(huì)與噪聲的概念相混淆，其實(shí)，是有區(qū)別的。噪聲是一種電子信號(hào)，而干擾是指的某種效應(yīng)，是由于噪聲原因?qū)﹄娐吩斐傻囊环N不良反應(yīng)。而電路中存在著噪聲，卻不一定就有干擾。在數(shù)字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號(hào)上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由于電路特性關(guān)系，這些小尖峰脈沖還不致于使數(shù)字電路的邏輯受到影響而發(fā)生混亂，所以可以認(rèn)為是沒(méi)有干擾。

當(dāng)一個(gè)噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時(shí)，該噪聲電壓就稱(chēng)為干擾電壓。而一個(gè)電路或一個(gè)器件，當(dāng)它還能保持正常工作時(shí)所加的最大噪聲電壓，稱(chēng)為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說(shuō)來(lái)，噪聲很難消除，但可以設(shè)法降低噪聲的強(qiáng)度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不致于形成干擾。

諧波

諧波：是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱(chēng)之為諧波。

諧波產(chǎn)生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，基波電流發(fā)生畸變就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。主要非線性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

下面主要講解開(kāi)關(guān)電源中的紋波和噪聲

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)紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

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(chēng)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)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)妮敵鲭娙荨?/p>

為滿(mǎn)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(mǎn)足第2點(diǎn)，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(hù)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(hù)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測(cè)量探頭所致

雙絞線測(cè)量裝置

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)4TμF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(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。

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1μF，C2是鉭電解電容，容量是10μF。兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸出電壓值的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EMI干擾。

圖4 平行線測(cè)量裝置

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。

圖6 通用探頭易造成干擾

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R、C電路后經(jīng)輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端；圖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(gè)0.68μF陶瓷電容及1個(gè)47Ω/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。

圖7 同軸電纜測(cè)量裝置1

圖8 同軸電纜測(cè)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(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。

圖10 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置

國(guó)家標(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22μF電解電容，C3為0.47μF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)的50Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個(gè)50Ω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。

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/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11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)的污染。電路圖如圖12所示。

圖11 開(kāi)關(guān)電源整流波形

圖12 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)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。

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13所示（EMI濾波器也稱(chēng)為電源濾波器）。

圖13 開(kāi)關(guān)電源加EMI濾波

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)的鋁或鉭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，一種高分子聚合物鉭固態(tài)電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻（ESR）最大值為25mΩ，最大的允許紋波電流（在100kHz時(shí)）為2400mArms，其尺寸為：7.3mm（長(zhǎng)）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號(hào)為10TPE68M（貼片或封裝）。

紋波電壓ΔVOUT為：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=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100μF，在20℃、120Hz時(shí)的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω，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）或鉭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。

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。

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。

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14所示。圖14左圖是單輸出，圖14右圖是雙輸出。

圖14 在DC/DC模塊中加入LC濾波器

在表1及表2中列出1W DC/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μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

表1和表2

增加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(mǎn)足對(duì)噪聲特別有要求的電路需要（見(jiàn)圖15），輸出噪聲可達(dá)μV級(jí)。

圖15 在電源中加入LDO

由于LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV，則在開(kāi)關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器

有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，并且對(duì)衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時(shí)，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿(mǎn)載時(shí)效率可達(dá)99%。

輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容。

很多人在測(cè)試紋波和噪聲時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)上百mv，或者幾百mv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比說(shuō)明書(shū)提供的紋波值大很多，這主要是測(cè)試方法不正確造成的。造成對(duì)紋波測(cè)試的幾點(diǎn)誤區(qū)。

誤區(qū)一：測(cè)試帶寬的選擇，帶寬越大測(cè)試越準(zhǔn)確

這種認(rèn)為是不正確的。輸出紋波的頻率和電源的開(kāi)關(guān)頻率相同，而開(kāi)關(guān)頻率目前一般從幾十KHZ到幾MHZ,另外由開(kāi)關(guān)器件所造成的干擾也小于20MHZ，帶寬限制在20MHZ，也是避免外界的高頻噪聲影響紋波的測(cè)試。一般情況下，模塊使用說(shuō)明書(shū)都會(huì)提到該模塊在測(cè)試紋波時(shí)所選用的示波器測(cè)試帶寬。通常沒(méi)有特殊說(shuō)明，紋波測(cè)試的帶寬一般設(shè)定為20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ帶寬限制功能。

誤區(qū)二：測(cè)試方法的選擇

測(cè)試方法的選擇在目前是存在較大爭(zhēng)議的，同一個(gè)模塊采用不同的測(cè)試方法會(huì)得到不同的結(jié)果。目前行業(yè)內(nèi)普遍流行的有靠測(cè)法、雙絞線法、平行線法、50歐同軸電纜測(cè)試四種方法，其目的只有一個(gè)，就是真實(shí)客觀的測(cè)試模塊的輸出紋波。而用戶(hù)在使用中因?yàn)榉N種客觀因素一般采用的是甩線法，就是拿示波器探頭、地線夾直接接在模塊的輸出管腳測(cè)試，這種方法不能說(shuō)不正確，但會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)很大的不同，一般可達(dá)到上百或者幾百毫伏的紋波。

示波器探頭的地線長(zhǎng)度約13cm，自身電感約為80nH，共模電流會(huì)在地線夾子上產(chǎn)生一定量不可忽略的尖峰電壓。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，地線夾通常會(huì)以環(huán)形出現(xiàn)，所以很容易接收到空間輻射。測(cè)試端子和地線夾構(gòu)成的環(huán)路就像天線一樣在工作，地線環(huán)的面積越大，開(kāi)關(guān)過(guò)程中獲取的噪聲就越大，影響到紋波的正確測(cè)試。為減小地線夾過(guò)長(zhǎng)所造成的影響，探頭應(yīng)該直接靠在輸出管腳兩端，這樣信號(hào)和地相連處的地線環(huán)面積就很小了，這就是靠測(cè)法。測(cè)試時(shí)去掉示波器探頭的地線夾和探頭帽子，直接靠在輸出管腳上進(jìn)行測(cè)試，如果輸出管腳間距稍大，示波器探頭不能直接靠上，可以用自制地線環(huán)進(jìn)行測(cè)試，如下圖所示。

（左）使用地線夾直接測(cè)試 （右）采用靠測(cè)法測(cè)試

對(duì)于一些需要低紋波輸出的特定場(chǎng)合，需要采取特定的設(shè)計(jì)方案，采用甩線法測(cè)試也能得到比較小的紋波。西安偉京電子制造有限公司推出了兩款輸入16VDC—40VDC,輸出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六種輸出電壓，輸出功率15W,內(nèi)置輸入濾波器輸出低紋波的高可靠軍用電源模塊，一種采用全金屬氣密性封裝，一種采用優(yōu)良導(dǎo)熱灌封膠的五面體金屬結(jié)構(gòu)，兩種模塊采用甩線法測(cè)試20MHZ帶寬，紋波在20—50mv,并且該模塊不用外加濾波器可以通過(guò)GJB151-97中CE102的要求。