1、 开关电源纹波的测量 基本要求 :使用示波器 AC 耦合 ,20MHz 带宽限制 ,拔掉探头的地线 1,AC 耦合是去掉叠加的直流电压 ,得到准确的波形。 2,打开 20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰 ,防止测出纰缪的结果。因为高频身分幅值较大 ,测量的时候应除去。 3,拔掉示波器探头的接地夹 ,使用接地环测量 ,是为了减少干扰。许多部门没有接地环 ,如果误差许可也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否及格时要考虑这个因素。 还有一点儿是要使用 50终端。横河示波器的资料上介绍说 ,50模块是除去 DC 身分 ,精确测量 AC 身分。但是很少有示波器配这种专门的探头 ,大多数情况是使用标配
2、 100K到 10M的探头测量 ,影响权时不清晰。 上边是测量开关纹波时基本的注意事变。如果示波器探头不是直接接触输出点 ,应该用双绞线 ,或者 50同轴电缆体式格局测量。 在测量高频噪声时 ,使用示波器的全通带 ,通常是几百兆到 GHz 级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底熬头要清晰自己的测试结果。第二使得到客户认可。 关于示波器 : 有些数字示波器因为干扰以及存储深度的缘故原由 ,无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有 时候虽然老的摹拟示波器带宽只有几十兆 ,但表现要比数字示波器好。 泰克公司有专门分隔测量上述两种纹波 (噪声 )的软件 ,可以看一下参考
3、资料 5。同样 ,关于示波器的接地 ,电源测试的相关常识 ,也可以看一下。 纹波的抑制 1： 2576在纹波的控制 ,就是在布线的时候把所有的地都是单点接地 ,铜箔要尽量的大 ,可以减小纹波的尖峰的 .试试吧 ； 2： 适当加大电感也是减小纹波 (不是指尖峰 )的好办法 ， 电感量加大的秘诀都知道呀 ,不错不错 ,呵呵 3： 如果是开关电源，由于是先天不足，应该在正和地线上加电感、磁珠等，加 型滤波器 ，还要提高电压加三端稳压器，三端稳压器两端压差大些起码大于 5V。 如果是线性电源，避免用可控硅，电源输入要加电源滤波器，变压器初次级间用铜皮做隔离地，并良好接地。整流二极管全部并接一个 0.0
4、1的电容。滤波电容要采用大电容，并联 1和 1000p 的电容，串接电感或磁珠，变压器到三端处的各接线要短、粗，三端输入，输出要各接 1 个 0.1 的电容，这两个电容要接在三端脚附近，越近越好。注意印制板导线铜箔要厚，要宽，在正极线两侧用并排用地线做屏蔽。电源和信号中各处要电路每一部分的地接在一起在总接地，注意大信号的地和 小信号的地分开走。 4： 对开关纹波 ,意见上以及现实上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种 : 开关电源纹波的抑制 对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种： 1，加大电感和输出电容滤波 根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电
5、感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。 左图是开关电源电感 L 内的电流波形，其纹波电流 I可由下式算出： 可以看出，增加 L 值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。 同样，输出纹波与输出电容的关系： vripple=Imax/(Cof)。 可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。 通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且 ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。 同时，开关电源工作时，输入端的电压 Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入
6、电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端 (以 BucK 型为例，是 SWITcH 附近 )，并联电容来提供电流。 应用该对策后， BUCK 型开关电源如下图所示： 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。 关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。 2，二级滤波，就是再加一级 LC 滤波器 LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。 但是，这种情况下
7、需要考虑反馈比较电压的采样点。 (如下图所示 ) 采样点选在 LC 滤波器之前 (Pa)，输出电压会降低。因为任何 电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。 采样点选在 LC 滤波器之后 (Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。 3，开关电源输出之后，接 LDO 滤波 这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。 任何一款 LDO 都有
8、一项指标：噪音抑 制比。是一条频率 -dB 曲线，如右图是凌特公司 LT3024 的曲线。 经过 LDO 之后，开关纹波一般在 10mV 以下。 下图是 LDO 前后的纹波对比： 对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百 KHz 的开关纹波， LDO 的抑制效果非常好。但在高频范围内，该 LDO 的效果就不那么理想了。 对 减小纹波。开关电源的 PCB 布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源 PCB 工程师，简单的可以参考美国国半公司的 AN1229： SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines， (网上有翻译的中文摘要 ) 对于高频噪声，由
9、于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容 C 或 RC，或串联电感。 4，在二极管上并电容 C 或 RC 左图是实际用二极管的等效电路。二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个 RC 振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容 C 或 RC 缓冲网络。电阻一般取 10-100 ，电容取 4.7pF-2.2nF。 详细的解释可参考资料 1和 2。 在二极管上并联的电容 C 或者 RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。 对高频噪声
10、要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。 5，二极管后接电感（ EMI 滤波） 这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。比较简单的做法，不再详细解释。 小结 以上是关于 开关电源纹波，总结的一些内容，如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全，但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。 暂时先写这些，有时间的话再详细总结。 参考资料： 1 开关电源的尖峰干扰及其抑制 石家庄国耀
11、电子科技有限公司 杨志民 杜文广 董银虎 (石家庄 050031) 2 抑制功率二极管反向恢复几种方案的比较 电源技术应用 作者：浙江大学电气工程学院 胡进 吕征宇 3 Google 搜索：开关电源输出纹波 来源 5 电源系统分析与测试泰克科技 (中国 )有限公司 宋磊 6 水木社区电路设计与调试版 http:/ 调电压是用 PWM，但如果你要减小纹波的话，在电压输出低和高时不同，因为电压输出低的话，占空比就低，这时的纹波就重。 如果你使用单相 PWM 的话，纹波就要比双相重，双相的比三相的重。 相数越多，纹波才会越 小。 当然，相数已定的情况下，良好的滤波就可以减少纹波，但是如果占空比足够低
12、的时候，多少相和多大的滤波也解决不了纹波问题。 结论：加大滤波，增加相数，放弃改善最低电压段的纹波， PWM 不适合于从 0V起调。 在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。 在整流电路中并联一个电容，在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出来 。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。 在整流电路中并联一个电阻，将残余的纹波电压降落在电阻两端，可以明显改善滤波效果。 至于大
13、小的问题，这是由功率大小、输出电压要求、温定性、体积限制、匹配等决定的，达不到匹配的都没有意义，有些不能超过匹配，有些超匹配没有意义，电感和电阻用大或用小，会改变输出电压，电容超过匹配没有意义等。 什么是开关电源噪声以及如何消除噪声 1 噪声的种类 开关电源无论在体积、重量和效率方面都有显著的优点，已得到广泛的应 用。但开关电源最大缺点是容易产生噪声。噪声的产生一般可分为两大类：一是开关电源内部元件形成的干扰；二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰，这涉及到人为因素和自然界的因素。 1 1 输出脉动噪声 主要是在输出端出现的脉冲干扰，产生的原因有：由 AC 输入频率引起的低频脉动电压；开关
14、电源频率引起的高次谐波脉动电压；开关接通、断开时的尖峰噪声；对上述噪声的振幅最大值可用同轴电缆接到示波器上来观察测定。 1 2 辐射电场强度 开关电源产生的噪声会辐射到空间。辐射噪声的测定方法是：接好 天线，开启仪器（场强仪等），用天线接收直射波与反射波。被测电源放在非金属的实验台上以 360 来回转动，天线以上下 1 4m 距离移动以检测最大值。测试以垂直与水平两个方向来测定。 1 3 外来突变电压 外来突变电压干扰可用噪声模拟器检测。在输入交流线上同时注入同相杂音（注入电压据开关电源种类而定）。两者相位以 90 、 270 为最合适。确认在这外来突变电压的作用下，输出直流电压有无变动，并观
15、察保护装置等是否产生误动作。 1 4 雷电冲击耐压实验 使用雷电冲击发生器，以保险丝以外的元 件不损坏为原则，看一看输出电压的变动是否超过附加电压的规定。 2 噪声产生源 2 1 开关管 开关功率管及其散热器与外壳和电源内部的引线间存在分布电容。当开关管流过大的脉冲电流时，大体上形成了矩形波，该波形含有许多高频成份。由于开关电源使用的元件参数如开关功率管的存储时间，输出级的大电流，开关整流二极管的反向恢复时间，会造成回路瞬间短路，产生很大短路电流。凡有短路电流的导线及这种脉冲电流流经的变压器和电感产生的电磁场形成噪声源。 2 2 二极管的恢复特性 PN型硅二极 管用作高频整流时，正向电流蓄积的
16、电荷在加上反向电压时不能立即消除（因载流子的存在，还有电流流过）。一旦这个反向电流恢复时的电流斜率过大，流过线圈的电感就产生了尖峰电压。 2 3 变压器 开关电源中的变压器，用作隔离和变压。但在高频的情况下，它的隔离是很不完全的，变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，而使变压器周围产生的电磁场更容易在其它引线上耦合形成噪声。 2 4 电容、电感器和导线 开关电源由于工作在较高 频率，会使低频的元器件特性发生变化，由此产生噪声。 3 消除噪声的主要方法 消除噪声应主要从以下三个部位入手：产生噪声的部件、传播噪声部位、公共结合部
17、分。 3 1 控制，消除噪声源 （ 1）由整流二极管的反向恢复时间引起的电流尖峰，不仅增加了二极管本身的功耗，使开关功率管产生电流尖峰，增加导通时的损耗，而更重要的是容易产生噪声。所以必须尽量采用反向恢复时间短的整流二极管，如肖特基二极管， pin 结低损耗高速整流管。 （ 2）为了提高开关电源的效率应尽可能减少开关功率管的导通 时间和关断时间。但随着开关频率和开关速度的提高，电源的噪声也将随之增加。所以，必须适当控制开关功率管的开关时间来限制噪声。 在开关管的基极与发射极或集电极与基极间并联小容量电容，减缓基极信号的变化速率。 在开关管集射极间并联 RCD 网络，可增加集电极电压的上升时间。
18、 在开关管集电极回路串联 LRCD 网络， L 可限制集电极电流的上升速度。并联于电感 L 两端的 RCD 回路能防止电路引起振荡。 3 2 不使噪声传播 滤波器的滤波、元件的屏蔽等使噪声不至溢出。 （ 1）线路 滤波器 雷电冲击等的自然噪声，开关的关闭等引起的人为噪声，会从交流输入端侵入到开关电源。为了防止开关电源的误动作，以及发生在开关电源内部的噪声不从输入端泄漏出去，可在输入端接入线路滤波器。电路中Cx 电容一般取 0.1 0.47F ， Cy电容取 1000 4700pF，共模扼流圈的电感可选择 2mH 左右。 （ 2）屏蔽 （ a）开关管的屏蔽 开关管及输出整流二极管常加上散热板或通
19、过框架进行散热，从而使晶体管集电极，二极管的负极与散热板间产生较大的电容量。由于那里进行数百伏电压的变化，共模 噪声就发生了。所以在开关管的集电极，二极管的负极与散热板间放置绝缘金属板，能取得防止噪声发生的效果。 （ b）变压器的屏蔽 对于变压器，为了达到传送电力的目的，除了符合线路规定的指标以外，还要求泄漏的磁通小，线圈间的层间电容量小。为此，可减少空隙，选用理想衬垫，线圈间进行静电屏蔽。为了防止变压器磁通泄漏，还应在外围用铜箔带卷好，来进行电磁场屏蔽。 3 3 开关电源的接地 （ 1）接地方式 正确的接地可消除各路电流流经公共地线产生的噪声，避免受磁场和地电位差的影响。 （ 2）扭转线 1
20、500W 以上的电源中，印板引出线较多。由于这些导线的往复，回线内磁通的变化会导致噪声的变化。一旦把二根电缆线绞在一起，不仅使线的占积率减少，而且由于反向脉冲电流流过电缆，可防止磁通的变化。 4 结束语 抑制开关电源的噪声是开发应用开关电源的一个重要课题，为了有效地抑制和降低开关电源的噪声干扰，除了上述措施外，还需在其它方面采取措施。如：在印刷电路板设计、元件安装位置与方向，系统整个电路的布局、接线的布置等方面都要有利于减少开关电源的噪声。随着人们对开关电源抗噪声技术 的提高，这种电源将会得到更广泛的应用 . 开关电源的纹波和噪声 2011 年 05 月 11 日 星期三 14:48 开关电源
21、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V 。 本文简单地介绍开关电源产生纹
22、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
23、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
24、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
25、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。 几种测量
26、装置 1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 4TF 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。 2 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 1F ，
