紋波

紋波：是附着于直流電平之上的包含周期性與随機性成分的雜波信号。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。

噪聲

噪聲：對于電子線路中所标稱的噪聲，可以概括地認為，它是對目的信号以外的所有信号的一個總稱。最初人們把造成收音機這類音響設備所發出噪聲的那些電子信号，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子信号對電子線路造成的後果并非都和聲音有關，因而，後來人們逐步擴大了噪聲概念。例如，把造成視屏幕有白斑條紋的那些電子信号也稱為噪聲。可能以說，電路中除目的的信号以外的一切信号，不管它對電路是否造成影響，都可稱為噪聲。例如，電源電壓中的紋波或自激振蕩，可對電路造成不良影響，使音響裝置發出交流聲或導緻電路誤動作，但有時也許并不導緻上述後果。對于這種紋波或振蕩，都應稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信号，對需要接收這種信号的接收機來講，它是正常的目的信号，而對另一接收機它就是一種非目的信号，即是噪聲。在電子學中常使用幹擾這個術語，有時會與噪聲的概念相混淆，其實，是有區别的。噪聲是一種電子信号，而幹擾是指的某種效應，是由于噪聲原因對電路造成的一種不良反應。而電路中存在着噪聲，卻不一定就有幹擾。在數字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信号上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由于電路特性關系，這些小尖峰脈沖還不緻于使數字電路的邏輯受到影響而發生混亂，所以可以認為是沒有幹擾。

當一個噪聲電壓大到足以使電路受到幹擾時，該噪聲電壓就稱為幹擾電壓。而一個電路或一個器件，當它還能保持正常工作時所加的最大噪聲電壓，稱為該電路或器件的抗幹擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難消除，但可以設法降低噪聲的強度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不緻于形成幹擾。

諧波

諧波：是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅裡葉級數分解，其餘大于基波頻率的電流産生的電量。從廣義上講，由于交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。

諧波産生的原因：由于正弦電壓加壓于非線性負載，當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，基波電流發生畸變就形成非正弦電流，即電路中有諧波産生。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。

下面主要講解開關電源中的紋波和噪聲

開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較，最突出的優點是轉換效率高，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，因此應用範圍越來越廣。但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀态，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），最好産品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線性電源的調整管工作于線性狀态，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

簡單地介紹開關電源産生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量标準及減小紋波和噪聲的措施。

紋波和噪聲産生的原因

開關電源輸出的不是純正的直流電壓，裡面有些交流成分，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有關。

噪聲的産生原因有兩種，一種是開關電源自身産生的；另一種是外界電磁場的幹擾（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。

開關電源自身産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産生的尖脈沖所造成，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、電路中的寄生狀态及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），但是各生産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标準，即企業标準。

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麼區别，但實際上要求不同。測紋波和噪聲電壓的要求如下：

● 要防止環境的電磁場幹擾（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産生的EMI幹擾；

● 對小型開關型模塊電源，由于内部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上适當的輸出電容。

為滿足第1條要求，測量連線應盡量短，并采用雙絞線（消除共模噪聲幹擾）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。

經常有這樣的情況發生，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标時，發現與産品技術規格上的指标不符，大大地超過技術規格上的性能指标要求，這往往是用戶的測量裝置不合适，測量的方法（測量點的選擇）不合适或采用通用的測量探頭所緻

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（钽電容）後輸入帶寬為50MHz（有的企業标準為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

這裡要注意的是，雙絞線接地線的末端要盡量的短，夾在探頭的地線環上。

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是钽電解電容，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%。該測量方法的優點是與實際工作環境比較接近，缺點是較容易撿拾EMI幹擾。

圖4 平行線測量裝置專用示波器探頭

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，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環接觸電源的負極（GND），接觸要可靠。

圖5 示波器探頭的接法

這裡順便提出，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幹擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受幹擾的影響越大，如圖6所示。

圖6 通用探頭易造成幹擾

同軸電纜測量裝置

這裡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電路後經輸入同軸電纜（50Ω）後接示波器的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碳膜電阻後接入示波器。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标準

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，其測量的結果是不相同的，若能采用一樣的标準測量裝置來測，則測量的結果才有可比性。

圖10 測量标準的測量裝置

國家标準規定在被測電源輸出正、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後接入示波器，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确。

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。

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轉換器中輸入的市電經全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖11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轉換器）在電路增加了功率因數校正（PFC）電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數提高到0.95左右，減小了對電網的污染。電路圖如圖12所示。

圖11 開關電源整流波形

圖12 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，采用多相輸出結構，可有效地降低紋波輸出。現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。因此産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。

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幹擾。為減少從電源線輸入的電磁幹擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖13所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。

圖13 開關電源加EMI濾波

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态電解質的鋁或钽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。它最适用于高效率、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。例如，一種高分子聚合物钽固态電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時的等效串聯電阻（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），其型号為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時的等效串聯電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA。它隻能工作于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）或钽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态電解質電容要低得多。

采用與産品系統的頻率同步

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。

避免多個模塊電源之間相互幹擾

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，則可能相互幹擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互幹擾可采用屏蔽措施或将其适當遠離，減少其相互影響的幹擾。

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14所示。圖14左圖是單輸出，圖14右圖是雙輸出。

圖14 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幹擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

表1和表2增加LDO

在開關電源或模塊電源輸出後再加一個低壓差線性穩壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特别有要求的電路需要（見圖15），輸出噪聲可達μV級。

圖15 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就可以輸出标準電壓了，并且其損耗也不大。

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别有效。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範圍内減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動态響應及減小輸出電容。

很多人在測試紋波和噪聲時往往會出現上百mv，或者幾百mv，遠遠比說明書提供的紋波值大很多，這主要是測試方法不正确造成的。造成對紋波測試的幾點誤區。

誤區一：測試帶寬的選擇，帶寬越大測試越準确

這種認為是不正确的。輸出紋波的頻率和電源的開關頻率相同，而開關頻率目前一般從幾十KHZ到幾MHZ,另外由開關器件所造成的幹擾也小于20MHZ，帶寬限制在20MHZ，也是避免外界的高頻噪聲影響紋波的測試。一般情況下，模塊使用說明書都會提到該模塊在測試紋波時所選用的示波器測試帶寬。通常沒有特殊說明，紋波測試的帶寬一般設定為20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ帶寬限制功能。

誤區二：測試方法的選擇

測試方法的選擇在目前是存在較大争議的，同一個模塊采用不同的測試方法會得到不同的結果。目前行業内普遍流行的有靠測法、雙絞線法、平行線法、50歐同軸電纜測試四種方法，其目的隻有一個，就是真實客觀的測試模塊的輸出紋波。而用戶在使用中因為種種客觀因素一般采用的是甩線法，就是拿示波器探頭、地線夾直接接在模塊的輸出管腳測試，這種方法不能說不正确，但會對測試結果帶來很大的不同，一般可達到上百或者幾百毫伏的紋波。

示波器探頭的地線長度約13cm，自身電感約為80nH，共模電流會在地線夾子上産生一定量不可忽略的尖峰電壓。在實際測試時，地線夾通常會以環形出現，所以很容易接收到空間輻射。測試端子和地線夾構成的環路就像天線一樣在工作，地線環的面積越大，開關過程中獲取的噪聲就越大，影響到紋波的正确測試。為減小地線夾過長所造成的影響，探頭應該直接靠在輸出管腳兩端，這樣信号和地相連處的地線環面積就很小了，這就是靠測法。測試時去掉示波器探頭的地線夾和探頭帽子，直接靠在輸出管腳上進行測試，如果輸出管腳間距稍大，示波器探頭不能直接靠上，可以用自制地線環進行測試，如下圖所示。

（左）使用地線夾直接測試 （右）采用靠測法測試

對于一些需要低紋波輸出的特定場合，需要采取特定的設計方案，采用甩線法測試也能得到比較小的紋波。西安偉京電子制造有限公司推出了兩款輸入16VDC—40VDC,輸出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六種輸出電壓，輸出功率15W,内置輸入濾波器輸出低紋波的高可靠軍用電源模塊，一種采用全金屬氣密性封裝，一種采用優良導熱灌封膠的五面體金屬結構，兩種模塊采用甩線法測試20MHZ帶寬，紋波在20—50mv,并且該模塊不用外加濾波器可以通過GJB151-97中CE102的要求。

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