電源紋波噪聲測試

1、幵關(guān)電源的紋波和噪聲時間：2009-09-07 09:10:59 來源：今日電子/ 21ic作者：北京航空航天大學(xué)方佩敏開關(guān)電源（包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC /DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/D C模塊）與線性電源相比較，最突出的優(yōu)點是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)80%85%,高的可達(dá)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），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

2、性狀態(tài)，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是gV。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)。EMI ），它能通過輻射進(jìn)入開關(guān)電源或者通過電源噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種

3、是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場的干擾（ 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

4、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。圖2示波器測量框圖從圖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

5、或輸出電容較小，所以在測量時要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙?。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

6、寸）長、#1 6AW G線規(guī)組成的雙絞線與被測開關(guān)電源的 +OU T及-OUT連接，在+OU T 與-OU T之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個 4Tg F電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為 50MHz （有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為 20 MHz ）的示波 器。在測量點連接時，一端要接在 +OU T上，另一端接到地平面端。圖3雙絞線測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。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1 gF，C2是鉭電解電容，容量是 10gF。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

7、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。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（50Q ）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

8、，在同軸電纜的兩端串接1個0.68 g F陶瓷電容及1個47 Q/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BN C連接器和電容電阻的連接如圖 9所示。 j II匸圖7同軸電纜測量裝置1圖8同軸電纜測量裝置 2圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接紋波和噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn)以上介紹了多種測量裝置，同一個被測電源若采用不同的測量裝置，其測量的結(jié)果是不相同的，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測量裝置來測，則測量的結(jié)果才有可比性。近年來出臺了幾個測量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，本文將介紹一種基于JEITA-RC9 131A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置，如圖10所示。圖10基于JEITA-RC91 31A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測電源輸出正、負(fù)

9、端小于1 50mm處并聯(lián)兩個電容 C2及C3，C2為22g F電解電容，C3為0.47 g F薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負(fù)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47 00pF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，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，則紋波和噪聲的測量不可能精確。另外，測試應(yīng)在溫室條件下，被測電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。不正確與正確測量的比較1探頭的選擇圖11是用

10、AAT1121芯片組成的降壓式 DC/D C轉(zhuǎn)換器電路及測量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），它相當(dāng)于一根天線”極易受到EMI的干擾，其輸出的紋波和噪聲電壓相當(dāng)大（見圖11中右面的示波器波形圖中綠色的紋波和噪聲波形）。若采用專用的測量探頭（如圖13所示），它的地線極短，探頭與地線組成回路面積較小，受到EMI干擾極小，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 AAT11 21電路測量波形圖13用專用測量探頭測得的波2探頭與測試點的接觸是否良好以金升陽公司

11、的1W DC/DC電源模塊IF0505RN -1W為例，采用專用探頭靠測法，排除外界紋波和噪聲電壓為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EMI噪聲干擾，探頭接觸良好時，測出的8.4mVp-p ，如圖15所示。圖14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器探頭測試一下，其測試結(jié)果是紋波和噪聲電壓為48mVp-p，如圖16所示圖16電源模塊IF0505RN -1W測試波形（普通探頭）減小紋波和噪聲電壓的措施開關(guān)電源除開關(guān)噪聲外，在 AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)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）。電流波形中有高次諧波，它會增加噪聲輸出。良好的開關(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，減小了對電網(wǎng)的污染。電路圖如圖18 所示圖17開關(guān)電源整流波形圖18開關(guān)電源PFC電路開關(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)計及PCB設(shè)計有關(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)在的開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高；低的是幾十kHz，般是幾百kHz，而高的可達(dá)1MHz以上。因此產(chǎn)生的紋波

13、電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲最簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。1減少EMI的措施可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖19所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。圖19開關(guān)電源加EMI濾波2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/D C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68 g F,其在20 C

14、、100k Hz時的等效串聯(lián)電阻（ESR ）最大值為25mQ，最大的允許紋波電流（在 100kHz時）為2400mAr ms， 其尺寸為：7.3mm （長）M.3mm （寬）X1.8mm （高），其型號為 10TPE68M （貼片或封裝）。紋波電壓AVOUT為： VOUT=A IOU TX ESR （1）若IOUT=0.5A，ESR=25® ，則 AVOUT=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100gF，在20 C、120Hz時的等效串聯(lián)電阻為5.0 最大紋波電流為7 0mA。它只能工作于10k Hz左右，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下

15、工作，再增加電容量也無效，因為超過10k Hz時，它已成電感特性了。某些開關(guān)頻率在100k Hz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，其價位要比高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)電容要低得多。3采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步為減小輸出噪聲，電源的開關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。4避免多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。例如，用兩

16、個K7 805-500開關(guān)型模塊組成±5V輸出電源時，若兩個模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離輸出端較遠(yuǎn)，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加，如圖20所示。如果在同一塊PCB上有能產(chǎn)生噪聲干擾的電路，則在設(shè)計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關(guān)電源的相互干擾影響+VoutOGNDK78XX 50Q圖 20 K7 805-500 并聯(lián)5增加LC濾波器為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/D C模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，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

17、1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動問題,LC的諧振頻率必須與開關(guān)頻率要錯開以避免相互干擾，L采用gH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。草輸出DC/DC模坯5I nLf匸MTJKJ Ml'9V4.7|i FlkFr l?vI-'l>V1 pF底輸出LK/DCHS塊nv、需C&uySV4,7 H1:5r山了 p l?13V口盯9V2.2U FMV1 mF1ZVL» “ii. 17 |j 1-'6增加LDOLDO ）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要（見在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個低