开关电源的纹波和噪声

  浏览量2024-08-11 作者: 安博体育官方网站下载

  、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,采用高频变压器替代了笨重的低频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用场景范围越来越广。但电压较大,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

  本文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。

  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。噪声电压的振幅非常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。

  利用示波器能够正常的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。

  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、不同的技术方面的要求等),但是各生产厂商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。

  从图2来看,似乎与其他测波形电路没什么区别,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;

  ● 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。

  经常有这样的情况出现,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AWG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TμF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。

  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 平行线测量装置

  图4 平行线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。

  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。

  该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。

  电路及测量正确和不正确的波形图。若采用普通的示波器探头来测量(如图12所示),由于地线与探头组成的回路面积太大(由剖面线组成的面积),它相当于一根“天线”,极易受到EMI的干扰,其输出的纹波和噪声电压相当大(见图11中右面的示波器波形图中绿色的纹波和噪声波形)。若采取了专用的测量探头(如图13所示),它的地线极短,探头与地线组成回路面积较小,受到EMI干扰极小,其输出纹波和噪声波形如图11右面的红色线所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不能用的。

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