用示波器測量電源紋波方法技巧

用示波器測量電源紋波方法技巧
 
1. 定義
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。  
 紋波用示波器可以看到，在直流電壓上下輕微波動(dòng)，就像水平面上波動(dòng)的水紋一樣，
所以被稱為紋波。  
 

2. 紋波的產(chǎn)生和危害
2.1 電源紋波的產(chǎn)生 
電源主要有線性電源和開關(guān)電源二大類，輸出的直流電壓是一個(gè)固定值，由交流電壓經(jīng)
整流、濾波、穩(wěn)壓后得到。由于濾波不干凈，直流電壓中含有交流成分，這就產(chǎn)生了紋波。
紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它是圍繞輸出直流電壓上下來回波動(dòng)的周期性信號(hào)，但周期和
振幅不是定值，隨時(shí)間而變，不同電源的紋波波形不一樣。  
產(chǎn)生電源紋波的因素有許多，即使你用電池供電也會(huì)因負(fù)載的波動(dòng)而產(chǎn)生波紋。  
?  線性電源  
由于我國供電頻率是50Hz，所以它的紋波主要來自工頻50Hz變壓器，紋波電壓的頻
率常常是50nHz，n取自然數(shù)，大小取決于整流電路的類型。
對于半波整流，是1；對于全波整流，是2；對于三相全波整流，是6，即300Hz。所
以這種電源的輸出端紋波主要是50HZ或它的整數(shù)倍，幅值小，較易濾除，通常紋波可做到
幾mV。  
如假定整流橋輸出負(fù)載電流IL，負(fù)載電壓VL，整流橋輸人交流電壓幅值Vm及其輸人交流電壓頻率f，
則其輸出的紋波電壓由表1各式計(jì)算。
表1 整流紋波電壓
 
     采用功率匹配法或等效電流源法計(jì)算紋波電壓，一般表示為：  
     △U＝ILsin2wt／（2wC）     （1） 
     從式（1）中可以看出，紋波頻率為輸入頻率的兩倍，其幅值正比于變換器的輸出電流，反比于輸人電壓頻率和平滑電容的大小。  
?       開關(guān)電源  
產(chǎn)生的紋波比較復(fù)雜、很難濾除且幅值較大。一般開關(guān)電源的紋波比線性電源的紋波要
大，頻率要高。
主要來源于五個(gè)方面:低頻紋波、高頻紋波、共模噪聲、開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲和調(diào)節(jié)控
制環(huán)路引起的紋波噪聲。
     ①高頻紋波。高頻紋波來源于開關(guān)變換電路。開關(guān)電源的開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升和下降時(shí)間，這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)上升與下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。還有高頻變壓器的漏感也會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。這些噪聲一般叫做高頻紋波噪聲，幅值通常要比紋波大得多。
 
圖2 開關(guān)紋波和高頻噪聲
    如假設(shè)輸出整流電容Cf有限，實(shí)際電容也有損耗，流進(jìn)電容的電流ics 是脈動(dòng)的，使Vo脈動(dòng)，
形成紋波電壓。假定D為占空比、L為儲(chǔ)能電感、C為濾波電容、fs為開關(guān)頻率，則常用的4種基本類型
變換器的輸出紋波電壓列于表2。
表2 高頻紋波電壓
 
     從表2可以看出，通常高頻的輸出噪聲，大小與開關(guān)電源的頻率和輸出濾波器有關(guān)。電源的開關(guān)
頻率越高，電感和電容值越大，則輸出紋波越小。  
     ②共模噪聲。功率器件與散熱器底板和變壓器原邊與副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，
因此當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí)，導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出端產(chǎn)生共模紋波嗓聲。  
     ③開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲。隨著開關(guān)的開啟和關(guān)閉的切換，電感L中的電流也是在輸出電流的有效
值上下波動(dòng)。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與開關(guān)同頻率的紋波。  
     ④調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。實(shí)際電路中控制環(huán)路要有時(shí)間響應(yīng)，不能做到線性調(diào)節(jié)，故輸
出電壓瞬間會(huì)忽高忽低，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩，由此產(chǎn)生了紋波噪聲。  
2.2 紋波電壓危害 
     在調(diào)試產(chǎn)品時(shí)會(huì)遇到以下這些現(xiàn)象：  
     喇叭或聽筒發(fā)生嗡嗡的雜音，這可能是音頻范圍內(nèi)的類似正弦波的紋波信號(hào)推動(dòng)喇叭的紙盆或話
機(jī)的聽筒而形成雜音；  
     調(diào)試信號(hào)放大系統(tǒng)時(shí)，能看到紋波電壓對放大信號(hào)產(chǎn)生調(diào)制，形成雜波；  
     如果電視圖像的背景上有細(xì)橫條向上或向下滾動(dòng)，可能是由激勵(lì)器中調(diào)制、校正等中頻單元的供
電電源紋波過大引起。  
     以上現(xiàn)象都可能是紋波在搗亂。紋波電壓高了，有可能使電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波、調(diào)制等，干擾正常
的工作狀態(tài)；導(dǎo)致電源效率降低；影響數(shù)字電路的邏輯關(guān)系；干擾信號(hào)的正常傳遞等等。較強(qiáng)的紋波會(huì)產(chǎn)
生浪涌電壓或電流，有可能燒毀用電設(shè)備。要使紋波足夠小，必須準(zhǔn)確地測出紋波的大小    
3. 電源紋波的測量
分兩大類：一類是單獨(dú)電源的鑒定，另一類是產(chǎn)品的調(diào)試測量。  
測量環(huán)境和條件：
?  在（20±5）℃的室內(nèi)進(jìn)行，濕度應(yīng)小于80%；
?  周圍對測量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾應(yīng)減到zui小；
?  標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢電源應(yīng)在以上的檢定環(huán)境下放置24h以上；
?  對純電源來講，測量電源紋波時(shí)，要求帶載測量，所加負(fù)載要使輸出電流大于額定輸出
電流的80%以上。選用低噪聲的純阻性負(fù)載或電子負(fù)載。
紋波電壓可以用量，也可以用相對量來表示。紋波電壓幅度與直流電壓幅度之比稱
為電源的紋波系數(shù)，常用對數(shù)方式表示。例如一個(gè)電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為10V/1A，
測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的量。而相對量即紋波系數(shù)=紋波電壓
/輸出電壓=10mv/10V=0.1%，即等于千分之一。
電源紋波的測量可以用毫伏表或示波器。  
    3.1 示波器測量電源紋波 
目前常用示波器來測量電源紋波，除了可測量紋波的各種電壓值，還可以看到波形。如
使用數(shù)字示波器，注意存儲(chǔ)深度和干擾，否則可能造成無法正確的測量。可以用模擬示波器，
泰克公司生產(chǎn)的示波器有專門配備的電源紋波測量軟件。  
     用示波器對電源紋波測量的連線方式有以下幾種：  
<1> 靠連法  
     使用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，地線環(huán)直接接觸負(fù)
輸出的管腳，這樣從示波器中讀出的峰峰值為輸出線上的紋波與噪聲，如圖3。
 
圖3 靠測法
<2>      直連法  
     將地線環(huán)直接與負(fù)輸出管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測試，如圖4。  
 
圖4 直測法
<3>      絞連法  
     輸出管腳接雙絞線后接電容，在電容兩端用示波器測量。  
測量中的注意事項(xiàng)：
?  盡量使用示波器zui靈敏的量程檔；
?  盡量使用1：1的探頭，而不是示波器標(biāo)配的10：1的探頭；
?  盡量使用ＡＣ耦合功能；
?  盡量使用差分探頭；
?  盡量使用小衰減比的探頭；
?  盡量使用探頭的短地線；
?  設(shè)置是示波器的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，一般帶寬
上限設(shè)為20MHz；
    3.2 交流毫伏表測量電源紋波 
用交流毫伏表來測量紋波電壓，是因?yàn)榻涣骱练碇粚涣麟妷喉憫?yīng)，并且靈敏度高，
可測量很小的交流電壓，而紋波往往是比較小的交流電壓。毫伏表可直接讀出紋波電壓的有
效值、峰值和平均值。但結(jié)果與毫伏表的頻響有關(guān)，在使用交流數(shù)字電壓表時(shí)，要注意其頻
響范圍，不同范圍會(huì)有不同的測量結(jié)果。  

4. 電源紋波抑制  
抑制紋波電壓的通常做法：
?  加大濾波電路中電容容量；
?  采用LC濾波電路；
?  采用多級濾波電路；
?  以線性電源代替開關(guān)電源；
?  合理布線
如果能有針對的采取措施可能會(huì)起到事半功倍的效果。  
     4.1 低頻紋波的抑制  
     對開關(guān)電源來說，可采用前級預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。低頻
紋波是輸入整流紋波通過DC/DC變換器傳遞到輸出的，它的大小取決于整流濾波電容器的
電容量和反饋調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器性能。根據(jù)開關(guān)電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反
比，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比。所以加大電容值和電感值可以減小輸出紋波。適
當(dāng)配置調(diào)節(jié)器的參數(shù)，增大交流反饋，也可以有效地降低紋波。  
     4.2 高頻紋波的抑制  
     輸出紋波從頻譜上分主要由低頻紋波、開關(guān)頻率紋波和尖峰三個(gè)方面組成。而尖峰
是紋波的主要部分，它的大小基本決定了紋波的大小。因?yàn)楦哳l變壓器初級、次級存在漏感，開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的瞬間，漏感中的電流無法釋放便產(chǎn)生了尖峰。整流尖峰的產(chǎn)生原因是高頻整流管的PN結(jié)存在結(jié)電容，整流管在導(dǎo)通和截止的瞬間，結(jié)電容的充放電也會(huì)產(chǎn)生尖
峰。從示波器中可看到開關(guān)電源輸出尖峰的頻率約50MHz～100MHz，遠(yuǎn)高于濾波電感器的截止頻率，不能用常規(guī)的電感濾波方式來解決。實(shí)際工作中只能采取減小變壓器漏感和采用軟恢復(fù)特性的高頻整流管；采用高頻濾波器；采用多級濾波；提高開關(guān)電源工作頻率。  
     4.3 共模紋波的抑制  
     對于共模紋波嗓聲的常用方法:  
     （1）減小控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑
制電感及電容；  
     （2）采用EMI濾波器；  
     （3）降低開關(guān)毛刺幅度。  
     4.4 控制環(huán)路的抑制  
     控制環(huán)路參數(shù)不適當(dāng)會(huì)引起紋波，當(dāng)輸出端波動(dòng)時(shí)通過反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，
可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率。抑制方法有：
  
     （1）調(diào)節(jié)器輸出增加對地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋
波增大；  
     （2）合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)過大會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸
出紋波增加，放大倍數(shù)過小使輸出電壓穩(wěn)定性變差，所以調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)的參數(shù)要合理選
取，調(diào)試中應(yīng)根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。  
     （3）低噪聲低壓差線性調(diào)節(jié)器（LDO）。電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和
噪聲zui有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但成本很高，功耗較大。
   4.5  PCB設(shè)計(jì)  
     開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)非常重要，PCB分布參數(shù)會(huì)導(dǎo)致調(diào)整誤差或?yàn)V波效率變差，
嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致自激（一般在特定的負(fù)載下發(fā)生）。原則是取樣回路和濾波回路要盡量
貼近開關(guān)電源IC，PCB走線不可太長、太細(xì)。