開關電源的紋波和噪聲測試方法

1、開關電源的紋波和噪聲（圖）開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較.昴突出的優(yōu)點是 轉換效率商.一般可達80%85%.島的可達90%97%：其次.開關電源采用尚頻變壓器替代了笨重的工頻變壓 器.不僅重雖減輕，體積也減小了，因此應用范圉越來越廣。但開關電源的缺點是由于其開關管工作于商頻開關 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（低的為輸岀電圧的0確左右）.最好產品的紋 波和噪聲電壓也有幾十mV：而線性電源的調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PVo木文簡單地介紹開關電源產生紋波和噪聲的原伙I

2、和測雖方法、測雖裝宜、測雖標準及減小紋波和噪聲的臘施c紋波和噪聲產生的原因開關電源輸岀的不是純正的直流電斥.里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電圧的波 動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的 過程.從而造成輸出電斥的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值.其 大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容址及品質有關。噪聲的產生原因有兩種.一種是開關電源自身產生的：另一種是外界電磁場的丁擾（EMI）,它能通過輻射進入 開關電源或者通過電源線輸入開關電源。開關電源自身產生的噪聲是一種祐頻的脈

3、沖串.由發(fā)生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，也稱為開關 噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率商得箏.噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓 撲、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設計有關。利用示波馮可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開關管頻率相同.而噪聲的頻率是開關管的 兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電圧的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓.其訊位是mVp-po圖1紋波和噪聲的波形紋波和噪聲的測雖方法紋波和噪聲電壓是開關電源的主婆性能參數之一，因此如何精準測雖是一個十分重要問題。目前測址紋波和噪聲 電樂是利用寬頻帶示波器來測量的方法.它能精準地測出紋波和噪聲電斥值。由于

4、開關電源的品種繁女（有不同的拓撲、丄作頻率、輸出功率、不同的技術要求等），但是各生產廠家都采用 示波器測址法，僅測雖裝置上不完全相同因此各廠對不同開關電源的測雖都有自己的標準，即企業(yè)標準。用示波器測雖紋波和噪聲的裝迓的框圖如圖2所示。它由被測開關電源、負戦、示波器及測雖連線組成有的測 雖裝宜中還焊上電感或電容、電阻等元件。圖2示波器測址框圖從圖2來看，似乎與其他測波形迫路沒有什么區(qū)別.但實際上婆求不同。測紋波和噪聲電斥的要求如下:婆防止環(huán)境的電磁場T擾（EMI）侵入，使輸出的噪聲電斥不受EHI的影響:要防止負載電路中可能產生的EMI干擾：對小型開關型模塊電源，由于內部無輸出電容或輸出電容較小，

5、所以在測雖時婆加上適十的輸出電容。為滿足第1條要求.測址連線應盡雖短，并采用雙絞線（消除共模噪聲T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：并且測址點應在電源輸岀端上，若測雖點在負載上則會造成極大的測量誤差。為滿 足第2點，負載應采用阻性假負戦。經常有這樣的情況發(fā)生，用戶買回的開關電源或模塊電源，在測址紋波和噪聲這一性能抬標時，發(fā)現(xiàn)與產品技術 規(guī)格上的指標不符.大大地超過技術規(guī)格上的性能抬標要求.這往往是用戶的測雖裝置不合適.測址的方法（測 雖點的選擇）不合適或采川通用的測雖探頭所致。幾種測量裝豐1雙絞線測量裝宜雙絞線測雖裝宜如圖3所示。采用300mm （12英寸）長、31

6、6AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測開關電源的+OUT及PUT 連接，在十OUT與-OUT之間接上阻性假負戦。在雙絞線末端接一個4TPF電解電容（鈕電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業(yè)標準為20MHz）的示波器。在測雖點連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。ma-圖3雙絞線測址裝宜這里要注總的是，雙絞線接地線的末端要盡址的短.夾在探頭的地線環(huán)上。2平行線測址裝豐平行線測fit裝置如圖4所示。圖4中.C1是多層陶瓷電容（MLCC）,容雖為1UF.C2是鈕電解電容，容fit是10 pF- 兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸出電壓值的2弔。該測雖方法的優(yōu)點是與實際丄作環(huán)境比較接近.缺點是較 容

7、易撿抬EMI T擾。圖4平行線測量裝宜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T擾.造成較大的噪聲輸岀.虛線面枳越大.受干擾的影響越大.如圖6所示。圖6通用探頭易造成干擾4同軸電纜測雖裝貝這里介紹兩種同軸電纜測址裝宜。圖7是在被測電源的輸出端接R、C電路后經輸入同軸電纜(500)后接示波 器的AC輸入端：圖8是同軸電纜直接接電源輸岀端，在同軸電纜的兩端串

8、接1個0.68UF陶瓷電容及1個47Q/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。8“分 erf wept圖7同軸電纜測雖裝宜1圖8同軸電纜測雖裝宜2圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接紋波和噪聲的測量標準以上介紹女種測址裝宜，同一個被測電源若采用不同的測雖裝宜，其測雖的結果是不相同的.若能采用一樣的 標準測雖裝置來測.則測雖的結果才有可比性。近年來出臺了幾個測雖紋波和噪聲的標準.木文將介紹一種基于 JEITA-RC9131A測雖標準的測雖裝宜如圖10所示。圖10基于JEITA-RC9131A測址標準的測量裝置該標準規(guī)定在被測電源輸岀正、負端小于150mm處并聯(lián)

9、兩個電容C2及C3, C2為22 UF電解電容,C3為0. 47 pF 薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負載及不超過1.5m長的50Q同軸電纜同軸電纜的另一端連接一個50Q 的電阻R和串接一個4700pF的電容C1后接入示波器，示波器的帯寬為lOOMHzo同軸電纜的兩端連接線應盡可 能地短，以防止撿抬輻射的噪聲。另外，連接負載的線若越長，則測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，則紋波和噪聲的測址不可能精確。另外，測試應在溫室條件下被測電源應輸入正常的電壓，輸岀額定電斥及額定負載電流。不正確與正確測址的比較1探頭的選擇圖11是用AATU21芯片組成的

10、降壓式DC/DC轉換辭電路及測雖正確和不正確的波形圖若采用普通的示波器探 頭來測量（如圖12所示，由于地線與探頭組成的回路面積太大（由剖面線組成的面積），它相、“I于一根“天 線” 極易受到EMI的干擾.其輸岀的紋波和噪聲電斥相十大（見圖11中右面的示液湍波形圖中綠色的紋波和 噪聲波形）。若采用專用的測址探頭（如圖13所示），它的地線極短，探頭與地線組成回路而積較小，受到EMI T擾極小.其輸出紋波和噪聲波形如圖11右面的紅色線所示。這例子說明一般通用示波器的探頭是不能用的圖11 AATU21電路測址波形圖12用普通示波湍探頭測得的波形圖13用專用測雖探頭測得的波2探頭與測試點的接觸是否良好以

11、金升陽公司的1W DC/DC電源模塊IF0505RN-1W為例.采用專用探頭整測法，排除外界EMI噪聲干擾，探頭接 觸良好時.測出的紋波和噪聲電壓為4.8mVp-p,如圖14所示。若觸頭接觸不良時.則測出的紋波和噪聲電壓為 8. 4mVp-p如圖15所示。圖4電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸良好）圖15電源模塊IF0505RN-1W測試波形（接觸不良）這里順便再用普通示波辭探頭測試一下，其測試結果是紋波和噪聲電壓為48mVp-p.如圖16所示。圖16電源模塊IF0505RX-1W測試波形（普通探頭）減小紋波和噪聲電壓的措施開關電源除開關噪聲外.在AC/DC轉換器中輸入的市電經全波整

12、流及電容濾波電流波形為脈沖.如圖17所示 （圖a是全波整流.濾波電路.b是電壓及電流波形）。電流波形中有商次諧波.它會増加噪聲輸出。良好的開 關電源（AC/DC轉換器）在電路増加了功率因數校正（PFC）電路.使輸出電流近似正弦波.降低高次諧波，功 率因數提商到0. 95左右.減小了對電網的污染。電路圖如圖18所示。Ac encft陌(b)圖17開關電源整流波形圖18開關電源PFC電路開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲，備部分電路的設汁及PCB設汁有關。例如，采用 箏相輸出結構，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關電源的開關頻率越來越島：低的是幾十kHz. 般是幾百kHz. 而島

13、的可達1MHz以上因此產生的紋波電壓及噪聲電圧的頻率都很島.要減小紋波和噪聲昴簡埶的辦法是在電 源電路中加無源低通濾波器。1減少EMI的措施可以采用金屈外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射T擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EHI濾波器，如圖19所示（EHI濾波雅也稱為電源濾波器）c圖19開關電源加EMI濾波2在輸出端采用商頻性能好.ESR低的電容采用商分子聚合物固態(tài)電解質的鋁或鋰電解電容作輸出電容是昴佳的.其特點是尺寸小而電容雖大.高頻下ESR 阻抗低.允許紋波電流大。它報適用于島效率、低電斥.大電流降壓式DC/DC轉換器及DC/DC模塊電源作輸出電 容。例如，一種商分子聚合物鈕固態(tài)電

14、解電容為68 UF,其在209、100kHz時的等效串聯(lián)電阻（ESR）最大值為 25mQ,辰大的允許紋波電流（在100kHz時）為2400mArms.其尺寸為:7. 3mm （長）X4.3mm（寬）XI. 8mm （高兒 其型號為10TPE68M （貼片或封裝）o紋波電斥AVOUT為：AVOUT=AIOUTXESR(1)若 A IOUT=0. 5A ESR=25mfi ,則 AV0UT=12. 5mV.若采用普通的鋁電解電容作輸出電容.額定電JK 10V.額定電容SlOOuF,在20*Cx 120Hz時的等效串聯(lián)電阻為5.0Q,最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右,無法在高頻（1

15、00kHz以上的頻率）下工作.再増加電 容量也無效，因為超過10kHz時.它已成電感特性了。某些開關頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源.采用女層陶電容（MLCC）或鋰電解電容作輸出電容的效果也不錯，其價位婆比島分子聚合物固態(tài)電解質電容要低得卷。3采用與產品系統(tǒng)的頻率同步為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關的頻率與系統(tǒng)的頻率相同c4避免女個模塊電源之間相互干擾在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起匸作。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岀噪聲電斥増加。為避免這種相互干擾可采用屛蔽描施或將其適十遠離，減少其和互影響

16、的干擾例如，用兩個K7805-500開關型模塊組成5V輸出電源時，若兩個模塊靠的很近，輸出電容Cl、C2未采用低ESR 電容.且焊接處離輸出端較遠，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而増加，如圖20所示。如果在同一塊PCB上有能產生噪聲干擾的電路，則在設il PCB時婆采取相似的措施以減少干擾電路對開關電源的 相互下擾影響。圖 20 K7805-500 并聯(lián)5増加LC濾波器為減小模塊電源的紋波和噪聲.可以在DC/DC模塊的輸入和輸岀端加LC濾波殆 如圖21所示。圖21左圖是單 輸出圖21右圖是雙輸出。圖21在DC/DC模塊中加入LC濾波器在表1及表2中列出1WDC/DC模塊的VI、端和V

17、OCT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容雖不能過 大而造起動問題，LC的諧振頻率必須與開關頻率要鉗開以避免相互干擾.L采用UH極的，其直流電阻要低，以 免影響輸出電壓精度c41幗ftHVK/DC檢塊的電棄（不同電爪N）草輸出DC/DC模塊%幾”SrSV4.7 p F5V10m FI2V22uF9 V4.7 u F24VIpF12V2.2pFISVI pF艮2 取輸mDC/W*W電棘(UHib)雙軸出DQ/DC塊vr5SGwN4.7 p FSV4.7n F12V2.2 mF9V2.2nF24 VIuF12VluF15V0.47 pF6増加LDO在開關電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩(wěn)斥器（LDO能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對