電源紋波的產生、測量和抑制

1 引 言

對于電子產品來說唯一不可缺少的是電源，但是它除了提供能量外，也帶來了紋波、噪聲等影響電子產品正常工作的影響。紋波電壓對高放、本振、混頻、濾波、檢波、A/D變換等電路都會產生影響，在設計控制設備、電子儀器、電視、攝像機等電子產品時都要想辦法盡量減小紋波。為此就要了解紋波、知道它是如何產生的、如何測量以及抑制方法。
2 電源紋波

紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號，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，就像水平面上波動的水紋一樣，所以被稱為紋波（見圖1）。

圖1 RIGOL示波器DS1302觀察的紋波信號波形

2.1 電源紋波產生

我們通常在產品中用的電源主要有線性電源和開關電源二大類，輸出的直流電壓是一個固定值，由交流電壓經整流、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，這就產生了紋波。紋波是一種復雜的雜波信號，它是圍繞輸出直流電壓上下來回波動的周期性信號，但周期和振幅不是定值，隨時間而變，不同電源的紋波波形不一樣。

產生電源紋波的因素有許多，即使你用電池供電也會因負載的波動而產生波紋。

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，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載電流IL，負載電壓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各式計算。表1 整流紋波電壓

采用功率匹配法或等效電流源法計算紋波電壓，一般表示為：

△U＝ILsin2wt／(2wC) (1)

從式(1)中可以看出，紋波頻率為輸人頻率的兩倍，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。

開關電源

產生的紋波比較復雜、很難濾除且幅值較大。主要來源于五個方面:除低頻紋波外還有高頻紋波、共模噪聲、開關器件產生的噪聲和調節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。一般開關電源的紋波比線性電源的紋波要大，頻率要高。

①高頻紋波。高頻紋波來源于開關變換電路。開關電源的開關管在導通和截止的時候，都會有一個上升和下降時間，這時候在電路中就會出現一個與開關上升與下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。還有高頻變壓器的漏感也會產生高頻干擾。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。

如假設輸出整流電容Cf有限，實際電容也有損耗，流進電容的電流ics是脈動的，使Vo脈動，形成紋波電壓。假定D為占空比、L為儲能電感、C為濾波電容、fs為開關頻率，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，大小與開關電源的頻率和輸出濾波器有關。電源的開關頻率越高，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，導線存在寄生電感，因此當電壓作用于功率器件時，導致開關電源的輸出端產生共模紋波嗓聲。

③開關器件產生的噪聲。隨著開關的開啟和關閉的切換，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動。所以在輸出端也會出現一個與開關同頻率的紋波。

④調節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。實際電路中控制環(huán)路要有時間響應，不能做到線性調節(jié)，故輸出電壓瞬間會忽高忽低，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩，由此產生了紋波噪聲。

2.2 紋波電壓危害

在調試產品時會遇到以下這些現象：

喇叭或聽筒發(fā)生嗡嗡的雜音，這可能是音頻范圍內的類似正弦波的紋波信號推動喇叭的紙盆或話機的聽筒而形成雜音；

調試信號放大系統(tǒng)時，能看到紋波電壓對放大信號產生調制，形成雜波；

如果電視圖像的背景上有細橫條向上或向下滾動，可能是由激勵器中調制、校正等中頻單元的供電電源紋波過大引起。

以上現象都可能是紋波在搗亂。紋波電壓高了，有可能使電子產品產生諧波、調制等，干擾正常的工作狀態(tài)；導致電源效率降低；影響數字電路的邏輯關系；干擾信號的正常傳遞等等。較強的紋波會產生浪涌電壓或電流，有可能燒毀用電設備。要使紋波足夠小，必須準確地測出紋波的大小。

3 電源紋波測量

電源紋波的測量分兩大類，一類是單獨電源的鑒定，另一類是產品的調試測量。

在電源行業(yè)和電源用戶對電源鑒定時，要求選擇在(20±5)℃的室內進行，濕度應小于80%，周圍對測量有影響的機械震動及電磁干擾應減到最小，標準儀器與被檢電源應在以上的檢定環(huán)境下放置24h以上。對純電源來講，測量電源紋波時，要求在加載時測量，所加負載要使輸出電流大于額定輸出電流的80%以上。除選低噪聲的純阻性負載或電子負載外，還要選擇對應的測量標準。不同的標準會有不同的測量結果。

紋波電壓可以用絕對量，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，常用對數方式表示。例如一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為10V/1A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量。而相對量即紋波系數=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。如使用數字示波器，注意存儲深度和干擾，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：

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。

直連法

將地線環(huán)直接與負輸出管腳連接，利用探頭接地環(huán)進行輸出端測試，如圖4。

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。

在用以上方法連接測量時要注意：首先，根據要求規(guī)定示波器測量紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，一般帶寬上限設為20MHz，為了濾除疊加的直流電壓，采用AC耦合輸入方式；其次，摘掉探針的“帽子”，直接用探頭的屏蔽地和信號輸出地連接，減短長接地引線形成的天線；為減小探頭感應的影響，多數情況下都采用在探頭接入點的位置并聯小電解電容和瓷片電容，并聯電容可以減少外界干擾信號進入示波器，也可以將一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做的好處是縮短暴露在電源附近高強度電磁輻射中的探針長度，從而進一步減少高頻拾取。此外，把示波器引線繞在鐵芯上可減小共模電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產生的測量誤差的共模電感，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產生的，這就使得在電源地和示波器地之間產生電壓降，表現為紋波。

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，是因為毫伏表只對交流電壓響應，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。但結果與毫伏表的頻響有關，在使用交流數字電壓表時，要注意其頻響范圍，不同范圍會有不同的測量結果。

4 電源紋波抑制

抑制紋波電壓的通常做法是，加大濾波電路中電容容量，或采用LC濾波電路，或采用多級濾波電路；以線性電源代替開關電源；合理布線等。但如果能有針對的采取措施可能會起到事半功倍的效果。

4.1 低頻紋波的抑制

對開關電源來說，可采用前級預穩(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節(jié)回路的調節(jié)器性能。根據開關電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反比，電感內電流波動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。適當配置調節(jié)器的參數，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、開關頻率紋波和尖峰三個方面組成。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。因為高頻變壓器初級、次級存在漏感，開關管在導通和截止的瞬間，漏感中的電流無法釋放便產生了尖峰。整流尖峰的產生原因是高頻整流管的PN結存在結電容，整流管在導通和截止的瞬間，結電容的充放電也會產生尖峰。從示波器中可看到開關電源輸出尖峰的頻率約50MHz～100MHz，遠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。實際工作中只能采取減小變壓器漏感和采用軟恢復特性的高頻整流管；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）降低開關毛刺幅度。

4.4 控制環(huán)路的抑制

控制環(huán)路參數不適當會引起紋波，當輸出端波動時通過反饋網絡進入調節(jié)器回路，可能導致調節(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）調節(jié)器輸出增加對地的補償網絡，調節(jié)器的補償可抑制調節(jié)器自激引起的紋波增大；

（2）合理選擇環(huán)路的放大倍數。放大倍數過大會引起調節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋波增加，放大倍數過小使輸出電壓穩(wěn)定性變差，所以調節(jié)器的放大倍數的參數要合理選取，調試中應根據負載狀況進行調節(jié)。

（3）低噪聲低壓差線性調節(jié)器(LDO)。電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，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設計

開關電源的PCB設計非常重要，PCB分布參數會導致調整誤差或濾波效率變差，嚴重時甚至可能導致自激（一般在特定的負載下發(fā)生）。原則是取樣回路和濾波回路要盡量貼近開關電源IC，PCB走線不可太長、太細。

5 結 語

電源幾乎對于每種電子產品都必不可少，電源的性能對一個大型系統(tǒng)產生重要的影響。要確保高可靠性、穩(wěn)定性、兼容性、安全性，測量是唯一的辦法。通過有效的測量和分析，才能保證得到理想的產品。