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[導讀]本文簡單地介紹開關電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。   

開關電源(包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC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80%~85%,高的可達90%~97%;其次,開關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,因此應用范圍越來越廣。但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀態(tài),輸出的紋波噪聲電壓較大,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)整管工作于線性狀態(tài),無紋波電壓,輸出的噪聲電壓也較小,其單位是μV。


本文簡單地介紹開關電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。
  
紋波和噪聲產(chǎn)生的原因
開關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,與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程,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,其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關。


噪聲的產(chǎn)生原因有兩種,一種是開關電源自身產(chǎn)生的;另一種是外界電磁場的干擾(EMI),它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。


開關電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串,由發(fā)生在開關導通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成,也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多,噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設計有關。


利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形,如圖1所示。紋波的頻率與開關管頻率相同,而噪聲的頻率是開關管的兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電壓的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓,其單位是mVp-p。

圖1 紋波和噪聲的波形
  
紋波和噪聲的測量方法
紋波和噪聲電壓是開關電源的主要性能參數(shù)之一,因此如何精準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,它能精準地測出紋波和噪聲電壓值。


由于開關電源的品種繁多(有不同的拓撲、工作頻率、輸出功率、不同的技術要求等),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電源的測量都有自己的標準,即企業(yè)標準。


用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開關電源、負載、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;


● 要防止負載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾;


● 對小型開關型模塊電源,由于內(nèi)部無輸出電容或輸出電容較小,所以在測量時要加上適當?shù)妮敵鲭娙荨?/p>


為滿足第1條要求,測量連線應盡量短,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;并且測量點應在電源輸出端上,若測量點在負載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第2點,負載應采用阻性假負載。


經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生,用戶買回的開關電源或模塊電源,在測量紋波和噪聲這一性能指標時,發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術規(guī)格上的指標不符,大大地超過技術規(guī)格上的性能指標要求,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英寸)長、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測開關電源的+OUT及-OUT連接,在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。在雙絞線末端接一個4TμF電解電容(鉭電容)后輸入帶寬為50MHz(有的企業(yè)標準為20MHz)的示波器。在測量點連接時,一端要接在+OUT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1μF,C2是鉭電解電容,容量是10μF。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)點是與實際工作環(huán)境比較接近,缺點是較容易撿拾EMI干擾。

圖4 平行線測量裝置


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(50Ω)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,在同軸電纜的兩端串接1個0.68μF陶瓷電容及1個47Ω/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和電容電阻的連接如圖9所示。

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準
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,若能采用一樣的標準測量裝置來測,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準,本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置,如圖10所示。

圖10 基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置


該標準規(guī)定在被測電源輸出正、負端小于150mm處并聯(lián)兩個電容C2及C3,C2為22μF電解電容,C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負載及不超過1.5m長的50Ω同軸電纜,同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻R和串接一個4700pF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盡可能地短,以防止撿拾輻射的噪聲。另外,連接負載的線若越長,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,測試應在溫室條件下,被測電源應輸入正常的電壓,輸出額定電壓及額定負載電流。

不正確與正確測量的比較
1探頭的選擇
圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC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 AAT1121電路測量波形

圖12 用普通示波器探頭測得的波形[!--empirenews.page--]

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EMI噪聲干擾,探頭接觸良好時,測出的紋波和噪聲電壓為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
開關電源除開關噪聲外,在AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)全波整流及電容濾波,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 開關電源整流波形

圖18 開關電源PFC電路


開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲,各部分電路的設計及PCB設計有關。例如,采用多相輸出結(jié)構(gòu),可有效地降低紋波輸出?,F(xiàn)在的開關電源的開關頻率越來越高;低的是幾十kHz,一般是幾百kHz,而高的可達1MHz以上。因此產(chǎn)生的紋波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/DC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68μF,其在20℃、100kHz時的等效串聯(lián)電阻(ESR)最大值為25mΩ,最大的允許紋波電流(在100kHz時)為2400mArms,其尺寸為:7.3mm(長)×4.3mm(寬)×1.8mm(高),其型號為10TPE68M(貼片或封裝)。


紋波電壓ΔVOUT為:
ΔVOUT=ΔIOUT×ESR        (1)
若ΔIOUT=0.5A,ESR=25mΩ,則ΔVOUT=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100μF,在20℃、120Hz時的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω,最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右,無法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作,再增加電容量也無效,因為超過10kHz時,它已成電感特性了。


某些開關頻率在100kHz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,電源的開關頻率應與系統(tǒng)中的頻率同步,即開關電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率,使開關的頻率與系統(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當遠離,減少其相互影響的干擾。


例如,用兩個K7805-500開關型模塊組成±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,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,則在設計PCB時要采取相似的措施以減少干擾電路對開關電源的相互干擾影響。

圖20 K7805-500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/DC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頻率要錯開以避免相互干擾,L采用μH極的,其直流電阻要低,以免影響輸出電壓精度。




6 增加LDO
在開關電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)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(見圖22),輸出噪聲可達μV級。

圖22 在電源中加入LDO


由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百mV,則在開關電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標準電壓了,并且其損耗也不大。


7 增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器
有源EMI濾波器可在150kHz~30MHz間衰減共模和差模噪聲,并且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時,可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲,在滿載時效率可達99%。


輸出紋波衰減器可在1~500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波噪聲30dB以上,并且能改善動態(tài)響應及減小輸出電容。

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