纹波

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。


噪声

噪声:对于电子线路中所标称的噪声,可以概括地认为,它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号,称为噪声。但是,一些非目的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关,因而,后来人们逐步扩大了噪声概念。例如,把造成视屏幕有白斑条纹的那些电子信号也称为噪声。可能以说,电路中除目的的信号以外的一切信号,不管它对电路是否造成影响,都可称为噪声。例如,电源电压中的纹波或自激振荡,可对电路造成不良影响,使音响装置发出交流声或导致电路误动作,但有时也许并不导致上述后果。对于这种纹波或振荡,都应称为电路的一种噪声。又有某一频率的无线电波信号,对需要接收这种信号的接收机来讲,它是正常的目的信号,而对另一接收机它就是一种非目的信号,即是噪声。在电子学中常使用干扰这个术语,有时会与噪声的概念相混淆,其实,是有区别的。噪声是一种电子信号,而干扰是指的某种效应,是由于噪声原因对电路造成的一种不良反应。而电路中存在着噪声,却不一定就有干扰。在数字电路中。往往可以用示波器观察到在正常的脉冲信号上混有一些小的尖峰脉冲是所不期望的,而是一种噪声。但由于电路特性关系,这些小尖峰脉冲还不致于使数字电路的逻辑受到影响而发生混乱,所以可以认为是没有干扰。


当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时,该噪声电压就称为干扰电压。而一个电路或一个器件,当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压,称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来,噪声很难消除,但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度,以使噪声不致于形成干扰。

 

谐波
谐波:是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。


谐波产生的原因:由于正弦电压加压于非线性负载,当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,基波电流发生畸变就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。主要非线性负载有 UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。


下面主要讲解开关电源中的纹波和噪声

开关电源(包括 AC/DC 转换器、DC/DC 转换器、AC/DC 模块和 DC/DC 模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达 80%~85%,高的可达 90%~97%;其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态,输出的纹波和噪声电压较大,一般为输出电压的 1%左右(低的为输出电压的 0.5%左右),最好产品的纹波和噪声电压也有几十 mV;而线性电源的调整管工作于线性状态,无纹波电压,输出的噪声电压也较小,其单位是μV。


简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。


纹波和噪声产生的原因

开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程,电能从输入端被“泵到”输出端,形成一个充电和放电的过程,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值,其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。


噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。


开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串,由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及 PCB 的设计有关。


利用示波器可以看到纹波和噪声的波形,如图 1 所示。纹波的频率与开关管频率相同,而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压,其单位是 mVp-p。

 

图 1 纹波和噪声的波形


纹波和噪声的测量方法

纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一,因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法,它能精准地测出纹波和噪声电压值。


由于开关电源的品种繁多(有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等),但是各生产厂家都采用示波器测量法,仅测量装置上不完全相同,因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准,即企业标准。

 

用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图 2 所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。

 

图 2 示波器测量框图


从图 2 来看,似乎与其他测波形电路没有什么区别,但实际上要求不同。测纹波和噪声电压的要求如下:


● 要防止环境的电磁场干扰(EMI)侵入,使输出的噪声电压不受 EMI 的影响;


● 要防止负载电路中可能产生的 EMI 干扰;


● 对小型开关型模块电源,由于内部无输出电容或输出电容较小,所以在测量时要加上适当的输出电容。

 

为满足第 1 条要求,测量连线应尽量短,并采用双绞线(消除共模噪声干扰)或同轴电缆;一般的示波器探头不能用,需用专用示波器探头;并且测量点应在电源输出端上,若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第 2 点,负载应采用阻性假负载。

 

经常有这样的情况发生,用户买回的开关电源或模块电源,在测量纹波和噪声这一性能指标时,发现与产品技术规格上的指标不符,大大地超过技术规格上的性能指标要求,这往往是用户的测量装置不合适,测量的方法(测量点的选择)不合适或采用通用的测量探头所致

 

双绞线测量装置
双绞线测量装置如图 3 所示。采用 300mm(12 英寸)长、#16AWG 线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT 及 -OUT 连接,在+OUT 与 -OUT 之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个 4TμF 电解电容(钽电容)后输入带宽为 50MHz(有的企业标准为 20MHz)的示波器。在测量点连接时,一端要接在+OUT 上,另一端接到地平面端。

 

图 3 双绞线测量装置


这里要注意的是,双绞线接地线的末端要尽量的短,夹在探头的地线环上。

 

平行线测量装置
平行线测量装置如图 4 所示。图 4 中,C1 是多层陶瓷电容(MLCC),容量为 1μF,C2 是钽电解电容,容量是 10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的 2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近,缺点是较容易捡拾 EMI 干扰。

 

图 4 平行线测量装置


专用示波器探头
图 5 所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环,其探头的尖端接触电源输出正极,地线环接触电源的负极(GND),接触要可靠。

 

图 5 示波器探头的接法

 

这里顺便提出,不能采用示波器的通用探头,因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长,容易捡拾外界电磁场的干扰,造成较大的噪声输出,虚线面积越大,受干扰的影响越大,如图 6 所示。

 

图 6 通用探头易造成干扰


同轴电缆测量装置
这里介绍两种同轴电缆测量装置。图 7 是在被测电源的输出端接 R、C 电路后经输入同轴电缆(50Ω)后接示波器的 AC 输入端;图 8 是同轴电缆直接接电源输出端,在同轴电缆的两端串接 1 个 0.68μF 陶瓷电容及 1 个 47Ω/1w 碳膜电阻后接入示波器。T 形 BNC 连接器和电容电阻的连接如图 9 所示。

 

图 7 同轴电缆测量装置 1

 

图 8 同轴电缆测量装置 2

 

图 9 T 形 BNC 连接器和电容电阻的连接

 

纹波和噪声的测量标准
以上介绍了多种测量装置,同一个被测电源若采用不同的测量装置,其测量的结果是不相同的,若能采用一样的标准测量装置来测,则测量的结果才有可比性。

 

图 10 测量标准的测量装置


国家标准规定在被测电源输出正、负端小于 150mm 处并联两个电容 C2 及 C3,C2 为 22μF 电解电容,C3 为 0.47μF 薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过 1.5m 长的 50Ω同轴电缆,同轴电缆的另一端连接一个 50Ω的电阻 R 和串接一个 4700pF 的电容 C1 后接入示波器,示波器的带宽为 100MHz。同轴电缆的两端连接线应尽可能地短,以防止捡拾辐射的噪声。另外,连接负载的线若越长,则测出的纹波和噪声电压越大,在这情况下有必要连接 C2 及 C3。若示波器探头的地线太长,则纹波和噪声的测量不可能精确。


另外,测试应在温室条件下,被测电源应输入正常的电压,输出额定电压及额定负载电流。


减小纹波和噪声电压的措施

开关电源除开关噪声外,在 AC/DC 转换器中输入的市电经全波整流及电容滤波,电流波形为脉冲,如图 11 所示(图 a 是全波整流、滤波电路,b 是电压及电流波形)。电流波形中有高次谐波,它会增加噪声输出。良好的开关电源(AC/DC 转换器)在电路增加了功率因数校正(PFC)电路,使输出电流近似正弦波,降低高次谐波,功率因数提高到 0.95 左右,减小了对电网的污染。电路图如图 12 所示。

 

图 11 开关电源整流波形

 

图 12 开关电源 PFC 电路


开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑,各部分电路的设计及 PCB 设计有关。例如,采用多相输出结构,可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十 kHz,一般是几百 kHz,而高的可达 1MHz 以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高,要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。


减少 EMI 的措施
可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰,在电源输入端加 EMI 滤波器,如图 13 所示(EMI 滤波器也称为电源滤波器)。

 

图 13 开关电源加 EMI 滤波


在输出端采用高频性能好、ESR 低的电容
采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的,其特点是尺寸小而电容量大,高频下 ESR 阻抗低,允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式 DC/DC 转换器及 DC/DC 模块电源作输出电容。例如,一种高分子聚合物钽固态电解电容为 68μF,其在 20℃、100kHz 时的等效串联电阻(ESR)最大值为 25mΩ,最大的允许纹波电流(在 100kHz 时)为 2400mArms,其尺寸为:7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高),其型号为 10TPE68M(贴片或封装)。

 

纹波电压ΔVOUT 为:


ΔVOUT=ΔIOUT×ESR        (1)


若ΔIOUT=0.5A,ESR=25mΩ,则ΔVOUT=12.5mV。


若采用普通的铝电解电容作输出电容,额定电压 10V、额定电容量 100μF,在 20℃、120Hz 时的等效串联电阻为 5.0Ω,最大纹波电流为 70mA。它只能工作于 10kHz 左右,无法在高频(100kHz 以上的频率)下工作,再增加电容量也无效,因为超过 10kHz 时,它已成电感特性了。


某些开关频率在 100kHz 到几百 kHz 之间的电源,采用多层陶电容(MLCC)或钽电解电容作输出电容的效果也不错,其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。


采用与产品系统的频率同步
为减小输出噪声,电源的开关频率应与系统中的频率同步,即开关电源采用外同步输入系统的频率,使开关的频率与系统的频率相同。


避免多个模块电源之间相互干扰
在同一块 PCB 上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近,则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离,减少其相互影响的干扰。


增加 LC 滤波器
为减小模块电源的纹波和噪声,可以在 DC/DC 模块的输入和输出端加 LC 滤波器,如图 14 所示。图 14 左图是单输出,图 14 右图是双输出。

 

图 14 在 DC/DC 模块中加入 LC 滤波器


在表 1 及表 2 中列出 1W DC/DC 模块的 VIN 端和 VOUT 端在不同输出电压时的电容值。要注意的是,电容量不能过大而造起动问题,LC 的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰,L 采用μH 极的,其直流电阻要低,以免影响输出电压精度。

 

 

表 1 和表 2

 

增加 LDO
在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以满足对噪声特别有要求的电路需要(见图 15),输出噪声可达μV 级。

 

图 15 在电源中加入 LDO

 

由于 LDO 的压差(输入与输出电压的差值)仅几百 mV,则在开关电源的输出略高于 LDO 几百 mV 就可以输出标准电压了,并且其损耗也不大。


增加有源 EMI 滤波器及有源输出纹波衰减器
有源 EMI 滤波器可在 150kHz~30MHz 间衰减共模和差模噪声,并且对衰减低频噪声特别有效。在 250kHz 时,可衰减 60dB 共模噪声及 80dB 差模噪声,在满载时效率可达 99%。


输出纹波衰减器可在 1~500kHz 范围内减低电源输出纹波和噪声 30dB 以上,并且能改善动态响应及减小输出电容。


很多人在测试纹波和噪声时往往会出现上百 mv,或者几百 mv,远远比说明书提供的纹波值大很多,这主要是测试方法不正确造成的。造成对纹波测试的几点误区。


误区一:测试带宽的选择,带宽越大测试越准确
这种认为是不正确的。输出纹波的频率和电源的开关频率相同,而开关频率目前一般从几十 KHZ 到几 MHZ,另外由开关器件所造成的干扰也小于 20MHZ,带宽限制在 20MHZ,也是避免外界的高频噪声影响纹波的测试。一般情况下,模块使用说明书都会提到该模块在测试纹波时所选用的示波器测试带宽。通常没有特殊说明,纹波测试的带宽一般设定为 20MHZ。目前市面上的示波器都有 20MHZ 带宽限制功能。


误区二:测试方法的选择
测试方法的选择在目前是存在较大争议的,同一个模块采用不同的测试方法会得到不同的结果。目前行业内普遍流行的有靠测法、双绞线法、平行线法、50 欧同轴电缆测试四种方法,其目的只有一个,就是真实客观的测试模块的输出纹波。而用户在使用中因为种种客观因素一般采用的是甩线法,就是拿示波器探头、地线夹直接接在模块的输出管脚测试,这种方法不能说不正确,但会对测试结果带来很大的不同,一般可达到上百或者几百毫伏的纹波。 


示波器探头的地线长度约 13cm,自身电感约为 80nH,共模电流会在地线夹子上产生一定量不可忽略的尖峰电压。在实际测试时,地线夹通常会以环形出现,所以很容易接收到空间辐射。测试端子和地线夹构成的环路就像天线一样在工作,地线环的面积越大,开关过程中获取的噪声就越大,影响到纹波的正确测试。为减小地线夹过长所造成的影响,探头应该直接靠在输出管脚两端,这样信号和地相连处的地线环面积就很小了,这就是靠测法。测试时去掉示波器探头的地线夹和探头帽子,直接靠在输出管脚上进行测试,如果输出管脚间距稍大,示波器探头不能直接靠上,可以用自制地线环进行测试,如下图所示。

 

 

(左)使用地线夹直接测试 (右)采用靠测法测试