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403 Forbidden用示波器测量电源纹波方法技巧-仪表展览网
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用示波器测量电源纹波方法技巧
纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指在额定输出电
压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压
中含有的工频交流成分。&&
&纹波用示波器可以看到，在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，
所以被称为纹波。&&
2. 纹波的产生和危害
2.1 电源纹波的产生&
电源主要有线性电源和开关电源二大类，输出的直流电压是一个固定值，由交流电压经
整流、滤波、稳压后得到。由于滤波不干净，直流电压中含有交流成分，这就产生了纹波。
纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和
振幅不是定值，随时间而变，不同电源的纹波波形不一样。&&
产生电源纹波的因素有许多，即使你用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。&&
?& 线性电源&&
由于我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器，纹波电压的频
率常常是50nHz，n取自然数，大小取决于整流电路的类型。
对于半波整流，是1；对于全波整流，是2；对于三相全波整流，是6，即300Hz。所
以这种电源的输出端纹波主要是50HZ或它的整数倍，幅值小，较易滤除，通常纹波可做到
如假定整流桥输出负载电流IL，负载电压VL，整流桥输人交流电压幅值Vm及其输人交流电压频率f，
则其输出的纹波电压由表1各式计算。
表1 整流纹波电压
&&&& 采用功率匹配法或等效电流源法计算纹波电压，一般表示为：&&
&&&& △U＝ILsin2wt／（2wC）&&&& （1）&
&&&& 从式（1）中可以看出，纹波频率为输入频率的两倍，其幅值正比于变换器的输出电流，反比于输人电压频率和平滑电容的大小。&&
?&&&&&& 开关电源&&
产生的纹波比较复杂、很难滤除且幅值较大。一般开关电源的纹波比线性电源的纹波要
大，频率要高。
主要来源于五个方面:低频纹波、高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节控
制环路引起的纹波噪声。
&&&& ①高频纹波。高频纹波来源于开关变换电路。开关电源的开关管在导通和截止的时候，都会有一个上升和下降时间，这时候在电路中就会出现一个与开关上升与下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声，幅值通常要比纹波大得多。
图2 开关纹波和高频噪声
&&& 如假设输出整流电容Cf有限，实际电容也有损耗，流进电容的电流ics 是脉动的，使Vo脉动，
形成纹波电压。假定D为占空比、L为储能电感、C为滤波电容、fs为开关频率，则常用的4种基本类型
变换器的输出纹波电压列于表2。
表2 高频纹波电压
&&&& 从表2可以看出，通常高频的输出噪声，大小与开关电源的频率和输出滤波器有关。电源的开关
频率越高，电感和电容值越大，则输出纹波越小。&&
&&&& ②共模噪声。功率器件与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，
因此当电压作用于功率器件时，导致开关电源的输出端产生共模纹波嗓声。&&
&&&& ③开关器件产生的噪声。随着开关的开启和关闭的切换，电感L中的电流也是在输出电流的有效
值上下波动。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。&&
&&&& ④调节控制环路引起的纹波噪声。实际电路中控制环路要有时间响应，不能做到线性调节，故输
出电压瞬间会忽高忽低，甚至有可能造成电源系统的振荡，由此产生了纹波噪声。&&
2.2 纹波电压危害&
&&&& 在调试产品时会遇到以下这些现象：&&
&&&& 喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音，这可能是音频范围内的类似正弦波的纹波信号推动喇叭的纸盆或话
机的听筒而形成杂音；&&
&&&& 调试信号放大系统时，能看到纹波电压对放大信号产生调制，形成杂波；&&
&&&& 如果电视图像的背景上有细横条向上或向下滚动，可能是由激励器中调制、校正等中频单元的供
电电源纹波过大引起。&&
&&&& 以上现象都可能是纹波在捣乱。纹波电压高了，有可能使电子产品产生谐波、调制等，干扰正常
的工作状态；导致电源效率降低；影响数字电路的逻辑关系；干扰信号的正常传递等等。较强的纹波会产
生浪涌电压或电流，有可能烧毁用电设备。要使纹波足够小，必须准确地测出纹波的大小&&&&
3. 电源纹波的测量
分两大类：一类是单独电源的鉴定，另一类是产品的调试测量。&&
测量环境和条件：
?& 在（20&5）℃的室内进行，湿度应小于80%；
?& 周围对测量有影响的机械震动及电磁干扰应减到最小；
?& 标准仪器与被检电源应在以上的检定环境下放置24h以上；
?& 对纯电源来讲，测量电源纹波时，要求带载测量，所加负载要使输出电流大于额定输出
电流的80%以上。选用低噪声的纯阻性负载或电子负载。
纹波电压可以用绝对量，也可以用相对量来表示。纹波电压幅度与直流电压幅度之比称
为电源的纹波系数，常用对数方式表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为10V/1A，
测得纹波的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量。而相对量即纹波系数=纹波电压
/输出电压=10mv/10V=0.1%，即等于千分之一。
电源纹波的测量可以用毫伏表或示波器。&&
&&& 3.1 示波器测量电源纹波&
目前常用示波器来测量电源纹波，除了可测量纹波的各种电压值，还可以看到波形。如
使用，注意存储深度和干扰，否则可能造成无法正确的测量。可以用模拟示波器，
泰克公司生产的示波器有专门配备的电源纹波测量软件。&&
&&&& 用示波器对电源纹波测量的连线方式有以下几种：&&
&1& 靠连法&&
&&&& 使用带有地线环的示波器探头，将探针直接接触正输出的管脚，地线环直接接触负
输出的管脚，这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声，如图3。
图3 靠测法
&2&&&&&& 直连法&&
&&&& 将地线环直接与负输出管脚连接，利用探头接地环进行输出端测试，如图4。&&
图4 直测法
&3&&&&&& 绞连法&&
&&&& 输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端用示波器测量。&&
测量中的注意事项：
?& 尽量使用示波器最灵敏的量程档；
?& 尽量使用1：1的探头，而不是示波器标配的10：1的探头；
?& 尽量使用ＡＣ耦合功能；
?& 尽量使用差分探头；
?& 尽量使用小衰减比的探头；
?& 尽量使用探头的短地线；
?& 设置是示波器的带宽上限，以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声，一般带宽
上限设为20MHz；
&&& 3.2 交流毫伏表测量电源纹波&
用交流毫伏表来测量纹波电压，是因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度高，
可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。毫伏表可直接读出纹波电压的有
效值、峰值和平均值。但结果与毫伏表的频响有关，在使用交流数字时，要注意其频
响范围，不同范围会有不同的测量结果。&&
4. 电源纹波抑制&&
抑制纹波电压的通常做法：
?& 加大滤波电路中电容容量；
?& 采用LC滤波电路；
?& 采用多级滤波电路；
?& 以线性电源代替开关电源；
?& 合理布线
如果能有针对的采取措施可能会起到事半功倍的效果。&&
&&&& 4.1 低频纹波的抑制&&
&&&& 对开关电源来说，可采用前级预稳压和增大DC/DC变换器闭环增益来消除。低频
纹波是输入整流纹波通过DC/DC变换器传递到输出的，它的大小取决于整流滤波电容器的
电容量和反馈调节回路的性能。根据开关电源的公式，输出纹波和输出电容值成反
比，电感内电流波动大小和电感值成反比。所以加大电容值和电感值可以减小输出纹波。适
当配置调节器的参数，增大交流反馈，也可以有效地降低纹波。&&
&&&& 4.2 高频纹波的抑制&&
&&&& 输出纹波从频谱上分主要由低频纹波、开关频率纹波和尖峰三个方面组成。而尖峰
是纹波的主要部分，它的大小基本决定了纹波的大小。因为高频变压器初级、次级存在漏感，开关管在导通和截止的瞬间，漏感中的电流无法释放便产生了尖峰。整流尖峰的产生原因是高频整流管的PN结存在结电容，整流管在导通和截止的瞬间，结电容的充放电也会产生尖
峰。从示波器中可看到开关电源输出尖峰的频率约50MHz～100MHz，远高于滤波电感器的截止频率，不能用常规的电感滤波方式来解决。实际工作中只能采取减小变压器漏感和采用软恢复特性的高频整流管；采用高频滤波器；采用多级滤波；提高开关电源工作频率。&&
&&&& 4.3 共模纹波的抑制&&
&&&& 对于共模纹波嗓声的常用方法:&&
&&&& （1）减小控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出端加共模抑
制电感及电容；&&
&&&& （2）采用EMI滤波器；&&
&&&& （3）降低开关毛刺幅度。&&
&&&& 4.4 控制环路的抑制&&
&&&& 控制环路参数不适当会引起纹波，当输出端波动时通过反馈网络进入调节器回路，
可能导致调节器的自激振荡，引起附加纹波。此纹波电压一般没有固定的频率。抑制方法有：
&&&& （1）调节器输出增加对地的补偿网络，调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹
波增大；&&
&&&& （2）合理选择环路的放大倍数。放大倍数过大会引起调节器的振荡或自激，使输
出纹波增加，放大倍数过小使输出电压稳定性变差，所以调节器的放大倍数的参数要合理选
取，调试中应根据负载状况进行调节。&&
&&&& （3）低噪声低压差线性调节器（LDO）。电源输出端接LDO滤波，这是减少纹波和
噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但成本很高，功耗较大。
&& 4.5& PCB设计&&
&&&& 开关电源的PCB设计非常重要，PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差，
严重时甚至可能导致自激（一般在特定的负载下发生）。原则是取样回路和滤波回路要尽量
贴近开关电源IC，PCB走线不可太长、太细增值税发票
无理由退货
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电脑电源输入电压的转换
电脑电源输入电压的转换
一些进口设备的输入电压都是交流100V或115V，包括里面自带的UPS也是这种电压。一旦设备中的开关电源，尤其是PC电源出现问题。要购买替换品就会遇到一些困难。由于目前国内市场上绝大部分的电脑设备都是220V供电，因此带有115/230伏输入电压转换开关的PC电源已较难觅。即使有货，也是物以稀为贵，价格至少要翻一倍。 笔者发现，实际上只要添加一小段电线，就能轻松方便地将220V输入的PC电源改成110V输入。当然，为了设备的可靠运行起见，尽可能选购质量顶级的PC电源。改好以后就可放心地装入设备，替代原来的电源。
图一是典型的ATX电源输入及整流部分。图中已加上了一段标以红色的线，以适应110V的输入电压。 改动的原理实际上极为简单。
图二是原来未改动前的等效电路，这是一个普通的桥式整流加滤波的电路。正负周波的交流电经四个整流二极管，在串联的滤波电容C1C2两端得到约300V的直流电，供开关变压器初级回路以及待机电源工作。图三为改动后的等效电路。由于D3D4分别与C1C2反向并联，实际上已失去作用。因此D1D2与C1C2构成了一个倍压整流电路。正半周C1通过D1充电，而负半周C2通过D2充电。当输入电压为110V时，在串联的滤波电容C1C2两端也得到约300V的直流电压。 反过来，有些设备如微软的游戏机X-Box的开关电源输入是115V。
很多玩家时有插错 220V而烧坏的事情发生。按照本文所述原理，完全可以改为220V输入，永久免除插错电源的后顾之忧。
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&#165&19元
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&#165&6.9元
&#165&19.9元开关电源纹波的产生
&&& 我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。
&&&上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压型电源。
&&& 随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。
&&& 另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
&&& 如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波(噪声)以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
&&& 因为本人是做汽车电子研发的，对于后两种噪声接触较少，所以暂不考虑。
开关电源纹波的测量
基本要求：
使用示波器AC耦合
20MHz带宽限制
拔掉探头的地线
1，AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2，打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。
&&& 还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。
&&& 上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。
&&& 在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可，
关于示波器：
& & 有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。
&&& 泰克公司有专门分开测量上述两种纹波(噪声)的软件，可以看一下参考资料5。同样，关于示波器的接地，电源测试的相关知识，也可以看一下。
开关电源纹波的抑制
对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：
1，加大电感和输出电容滤波
&&& 根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
&&& 左图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出：
&&& 可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。
&&& 同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。& 可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。
&&& 通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。
&&& 同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。
&&& 应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：
&&& 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。
& 关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。
2，二级滤波，就是再加一级LC滤波器
&&& LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。
&&& 但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)
&&& 采样点选在LC滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。
&&& 采样点选在LC滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。
3，开关电源输出之后，接LDO滤波
&&& 这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。
& & 任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB曲线，如右图是凌特公司LT3024的曲线。
&&& 经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。
& & 下图是LDO前后的纹波对比：
&&& 对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。
&&& 对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，简单的可以参考美国国半公司的AN1229：SIMPLE
SWITCHER PCB Layout Guidelines，& (网上有翻译的中文摘要)
&&& 对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。
4，在二极管上并电容C或RC
&&& 左图是实际用二极管的等效电路。二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100
Ω，电容取4.7pF-2.2nF。
&&& 详细的解释可参考资料1和2。
&&& 在二极管上并联的电容C或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。
&&& 对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。
5，二极管后接电感（EMI滤波）
&&& 这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。比较简单的做法，不再详细解释。
&&& 以上是关于开关电源纹波，总结的一些内容，如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全，但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。
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