開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法
本文簡單地介紹開關(guān)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(biāo)準(zhǔn)及減小紋波和噪聲的措施。
紋波和噪聲產(chǎn)生的原因
開關(guān)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(dòng)，與開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開、關(guān)過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率與開關(guān)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(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)。
噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種是開關(guān)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(jìn)入開關(guān)電源或者通過電源線輸入開關(guān)電源。
開關(guān)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(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱為開關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關(guān)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(guān)電源的拓?fù)洹㈦娐分械募纳鸂顟B(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān)。
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(guān)管頻率相同，而噪聲的頻率是開關(guān)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(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測量是一個(gè)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(zhǔn)地測出紋波和噪聲電壓值。
由于開關(guān)電源的品種繁多(有不同的拓?fù)�、工作頻率、輸出功率、不同的技術(shù)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(guān)電源的測量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
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(guān)電源、負(fù)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(shí)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(fù)載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾;
● 對小型開關(guān)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(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/P>
為滿足第1條要求，測量連線應(yīng)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(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測量誤差。為滿足第2點(diǎn)，負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。
經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生，用戶買回的開關(guān)電源或模塊電源，在測量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符，大大地超過技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求，這往往是用戶的測量裝置不合適，測量的方法(測量點(diǎn)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(guān)電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個(gè)4TμF電解電容(鉭電容)后輸入帶寬為50MHz(有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz)的示波器。在測量點(diǎn)連接時(shí)，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(diǎn)是與實(shí)際工作環(huán)境比較接近，缺點(diǎn)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(gè)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(fù)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?yàn)橥ㄓ檬静ㄆ魈筋^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(gè)0.68μF陶瓷電容及1個(gè)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(biāo)準(zhǔn)
以上介紹了多種測量裝置，同一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)測量裝置來測，則測量的結(jié)果才有可比性。近年來出臺(tái)了幾個(gè)測量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置，如圖10所示。
圖10 基于JEITA-RC9131A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置
該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個(gè)電容C2及C3，C2為22μF電解電容，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接負(fù)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(gè)50Ω的電阻R和串接一個(gè)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(yīng)盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，連接負(fù)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(yīng)在溫室條件下，被測電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)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(dāng)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(dāng)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
圖13 用專用測量探頭測得的波
2 探頭與測試點(diǎn)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(shí)，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(shí)，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(guān)電源除開關(guān)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(huì)增加噪聲輸出。良好的開關(guān)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(guān)電源整流波形
圖18 開關(guān)電源PFC電路
開關(guān)電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓?fù)洌鞑糠蛛娐返脑O(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。例如，采用多相輸出結(jié)構(gòu)，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高;低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達(dá)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(guān)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(diǎn)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(shí)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(shí))為2400mArms，其尺寸為：7.3mm(長)×4.3mm(寬)×1.8mm(高)，其型號(hào)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(shí)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?yàn)槌^10kHz時(shí)，它已成電感特性了。
某些開關(guān)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(cuò)，其價(jià)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(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。
4 避免多個(gè)模塊電源之間相互干擾
在同一塊PCB上可能有多個(gè)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(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。
例如，用兩個(gè)K7805-500開關(guān)型模塊組成±5V輸出電源時(shí)，若兩個(gè)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(yuǎn)，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(shè)計(jì)PCB時(shí)要采取相似的措施以減少干擾電路對開關(guān)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(shí)的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動(dòng)問題，LC的諧振頻率必須與開關(guān)頻率要錯(cuò)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(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)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(dá)μV級(jí)。
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(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時(shí)效率可達(dá)99%。
輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容。
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