小功率直流開關電源的紋波和噪聲研究

摘要：首先討論了開關電源產生投波和噪聲的原因，論述了開關電源的紋波和噪聲的測量方法。然后對S-1-Sq、琦率直流開關電源的紋波和噪聲進行了測量，對測量結果進行了分析。提出了減小開關電源的綻波和噪聲電壓的主要措施。

關鍵詞：紋波電壓 噪聲電壓 測量裝置 高頻示波器

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2012)02(b)-0070-01

在發生世界性能源危機的年代，開關電源引起了人們的廣泛關注。線性電源工作于工頻，開關電源的工作頻率為幾十上百kHZ，利用開關電源可以大幅度節約能源，它是電源技術發展史上的一次革命。開關電源的優點：(1)功耗小效率高；(2)體積小重量輕；(3)穩壓范圍寬。開關電源是現代電子電器和電子設備(如電視機、VCD、個人計算機、測試儀器、生物醫學儀器等)的心臟和動力。掌握開關電源的紋波與噪聲的相關內容，減小開關電源的紋波和噪聲，能夠進一步提高電源的轉換效率。

1開關電源的紋波與噪聲產生的原因

開關電源的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。紋波就是一個直流電壓中的交流成分。直流電壓本來應該是一個固定的值，但是很多時候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，由于濾波不干凈，就會有剩余的交流成分。另外，用電池供電也因負載的波動而產生波紋。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值。開關電源的紋波主要來源于五個方面：低頻紋波、高頻紋波、共模噪聲、開關器件產生的噪聲和調節控制環路引起的紋波噪聲等。開關電源的噪聲產生原因有兩種，一種是開關電源自身產生的；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。開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，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。利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形。

2開關電源的紋波與噪聲的測量方法

紋波和噪聲電壓是開關電源的主要性能參數之一，因此如何精準測量是一個十分重要問題。一般使用交流毫伏表來測量紋波電壓，因為交流毫伏表只對交流電壓響應，并且靈敏度比較高，可測量很小的交流電壓，而紋波往往是比較小的交流電壓。如果沒有交流毫伏表，也可使用示波器來測量。將示波器的輸入設置為交流耦合，調整Y軸增益，使波形大小合適，讀出電壓值，可估算出紋波電壓的大小。用示波器來看，就會看到電壓上下輕微波動，就像水紋一樣，所以叫做紋渡。目前測量紋渡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。示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖1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。測紋波和噪聲電壓的要求如下：(1)要防止環境的電磁場干擾(EMI)侵入，(2)要防止負載電路中可能產生的EMI干擾，(3)對小型開關型模塊電源，由于內部無輸出電容或輸出電容較小，所以測量時要加上適當的輸出電容。因此，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。負載應采用阻性假負載。3S-10-5小功率直流開關電源的紋波和噪聲的研究

利用上面介紹的測量方法對一款實際的開關電源進行紋波與噪聲測量。該測量方法是在被測電源輸出正。負端小于150mm處并聯兩個電容C2及C3，C2為22uF電解電容，C3為0.47uF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50f2同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50f2的電阻R和串接一個4700pF的電容cl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，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。被測的S-10-5小功率直流開關電源輸出為5V/2A，采用功率大干10W的大電阻作為負載。從示波器上觀察，可以讀出紋波電壓為200mVp-p，噪聲電壓為1500mVp-p。開關電源的紋波和噪聲能使客戶的MCU死機，能使客戶主板上的電容爆裂等等。但在同時大家認為紋波是可以后天整改的，其實不然。我們應該要象對待電磁兼容一樣認真對待紋波和噪聲。特別是用在資訊類產品，就更要注意紋波和噪聲了。

4減小開關cain，的紋波和噪聲的主要措施

開關電源的輸出紋波和噪聲電壓的大小與電源各部分電路的設計及PCB設計有關。開關電源的開關頻率越來越高，因此產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。其它減少開關電源的紋波與噪聲的方法有下面幾種：

(1)在電源輸入端加EMI濾波器。采用金屬外殼做屏蔽可以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(EMI濾波器也稱為電源濾波器)。(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電解質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轉換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。(3)采用頻率同步方法。為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統的頻率，使開關的頻率與系統的頻率相同。(4)避免多個模塊電源之間的相互干擾。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或將其適當遠離，減少其相互影響的干擾。(5)增加LC濾渡器。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。

5結語

電源幾乎對于每種電子產品都必不可少。通過對開關電源的紋波和噪聲的討論，使我們掌握了開關電源產生紋波和噪聲的原因，測量方法與測量裝置，及減小紋波和噪聲的措施。隨著電子技術的發展，種類繁多的開關電源應運而生，逐漸取代傳統的串聯線性穩壓電源。

參考文獻

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