開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法資料下載

????開關(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，突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達 80%～85%，高的可達 90%～97%；其次，開關(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 越來越廣。但開關(guān)電源的缺點是由于其開關(guān)管工作于高頻開關(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），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)，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也 較小，其單位是 μV。? ????本文簡單地介紹開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標(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，與開關(guān)電源的開關(guān)動作有關(guān)。每一個開、關(guān)過程，電能從輸入端被 “泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關(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，一種是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI）， 它能通過輻射進入開關(guān)電源或者通過電源線輸入開關(guān)電源。? 開關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發(fā)生在開關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖 所造成，也稱為開關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關(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關(guān)電源的拓?fù)洹㈦娐分械募纳鸂顟B(tài)及 PCB 的設(shè)計有關(guān)。? ????利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖 1 所示。紋波的頻率與開關(guān)管頻率相同，而噪 聲的頻率是開關(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。 紋波和噪聲的測量方法? ????紋波和噪聲電壓是開關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測量是一個十分重要問題。 目前測量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來測量的方法，它能精準(zhǔn)地測出紋波和噪聲電 壓值。? ????由于開關(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量法，僅測量裝置上不完全相同，因此各廠對不同開關(guān)電源的 測量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。? 用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖 2 所示。它由被測開關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測 量連線組成。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。? ????從圖 2 來看，似乎與其他測波形電路沒有什么區(qū)別，但實際上要求不同。測紋波和噪聲電壓 的要求如下：? ● 要防止環(huán)境的電磁場干擾（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；? ● 對小型開關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上適 當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨? ????為滿足第 1 條要求，測量連線應(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，需用專用示波器探頭；并且測量點應(yīng)在電源輸出端上，若測量點 在負(fù)載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第 2 點，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，用戶買回的開關(guān)電源或模塊電源，在測量紋波和噪聲這一性能指標(biāo) 時，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符，大大地超過技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求，這往往是 用戶的測量裝置不合適，測量的方法（測量點的選擇）不合適或采用通用的測量探頭所致。 幾種測量裝置? 1 雙絞線測量裝置? 雙絞線測量裝置如圖 3 所示。采用 300mm（12 英寸）長、#16AWG 線規(guī)組成的雙絞線與被測 開關(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 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 量點連接時，一端要接在+OUT 上，另一端接到地平面端。? ????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 平行線測量裝置? ????平行線測量裝置如圖 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%。該測量方法 的優(yōu)點是與實際工作環(huán)境比較接近，缺點是較容易撿拾 EMI 干擾。? 3 專用示波器探頭? ????圖 5 所示為一種專用示波器探頭直接與波測電源靠接。專用示波器探頭上有個地線環(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。? ????這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因為通用示波器探頭的地線不屏蔽且較長，容 易撿拾外界電磁場的干擾，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。? 4 同軸電纜測量裝置? ????這里介紹兩種同軸電纜測量裝置。圖 7 是在被測電源的輸出端接 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 0.68μF 陶瓷電容及 1 個 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。?