電源紋波是電源設(shè)計(jì)中常見的考量參數(shù)，也是電力工程師常見的測(cè)試項(xiàng)目。本文將討論電源紋波產(chǎn)生的原因以及電源紋波測(cè)試的正確姿勢(shì)！ZLG示波器電源分析功能中有快捷測(cè)試輸出紋波的功能，設(shè)置好配置即可快捷得出輸出紋波參數(shù)，并支持導(dǎo)出報(bào)表。

什么是紋波和噪聲

紋波和噪聲是指在DC/DC的直流輸入和輸出電容器上出現(xiàn)的交流耦合電壓信號(hào)。典型的紋波與噪聲如圖1所示。

紋波：開關(guān)電源對(duì)電容充放電而產(chǎn)生的電壓波動(dòng)，它具有較低的峰平均比，發(fā)生在基本開關(guān)頻率，通常被稱為均方根(RMS)噪聲。紋波因?yàn)楸碚鞯氖禽斎牒洼敵鲭娙莸某浞烹娞卣鳎栽陂_關(guān)電源的最大負(fù)載時(shí)會(huì)達(dá)到最大。紋波電壓隨著輸入和輸出電容的增大而降低。

高頻噪聲：開關(guān)電源的開關(guān)過(guò)程中而產(chǎn)生的電壓毛刺，噪聲的重復(fù)頻率等同開關(guān)電源的開關(guān)基頻，但是噪聲峰值頻率要比開關(guān)基頻高的多。噪聲的幅值取決于開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路的寄生電容電感、PCB布局等。

圖1 紋波與噪聲示意圖

紋波的類型

開關(guān)紋波：首先以降壓（buck）電路為例進(jìn)行說(shuō)明。降壓電路的開關(guān)器件以特定頻率導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)器件開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與開關(guān)周期一致的開關(guān)紋波。開關(guān)紋波的頻率范圍通常為幾十kHz至幾MHz。如圖2所示。

圖2 開關(guān)紋波

高頻紋波：由于電路中寄生電感和電容的影響，實(shí)際中的開關(guān)電源還會(huì)隨著開關(guān)管的導(dǎo)通和截止瞬間產(chǎn)生高頻開關(guān)噪聲。開關(guān)噪聲的頻率高于開關(guān)頻率；其幅值與寄生參數(shù)和PCB布局有較大關(guān)聯(lián)。如圖3所示。

圖3 高頻紋波

負(fù)載變化引入的紋波：在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，負(fù)載電流會(huì)快速變化。電流的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng)。如圖4所示。

圖4 負(fù)載變化引入的紋波

紋波的危害

·電源中攜帶的紋波會(huì)在電器上產(chǎn)生諧波，降低電源的使用效率；

·較高的紋波可能會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，從而導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行不正常或加速設(shè)備老化；

·在數(shù)字電路中紋波會(huì)干擾電路邏輯關(guān)系；

·紋波還會(huì)給通信、測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表帶來(lái)噪音干擾，破壞信號(hào)的正常測(cè)量、計(jì)量，甚至損壞設(shè)備。

電源紋波測(cè)試方案

示波器電源分析功能中有快捷測(cè)試輸出紋波的功能，設(shè)置好配置即可快捷得出輸出紋波參數(shù)，并支持導(dǎo)出報(bào)表。

測(cè)試步驟：

示波器與探頭連接示意圖如圖5所示。輸出端信號(hào)接入到示波器中，其中通道1接高壓差分探頭，通道2接電流探頭。（注意：若輸出電壓較大可選用高壓差分探頭，若輸出電壓較小使用普通探頭即可）

圖5 探頭與電路連接示意圖

調(diào)節(jié)好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后，點(diǎn)擊【Auto Setup】一鍵捕獲波形信號(hào)， 波形信號(hào)以較好的效果顯示在屏幕上，若看到的信號(hào)為一條直線，可將信號(hào)的垂直檔位放大后看波形，因?yàn)檩敵黾y波信號(hào)幅度比較小。點(diǎn)擊【通道1】進(jìn)入通道界面，將通道耦合方式改為【交流】。

點(diǎn)擊【Analyze】進(jìn)入電源分析界面，功能選擇【輸出紋波】，點(diǎn)擊【參數(shù)配置】進(jìn)入?yún)?shù)配置界面，如圖6所示。

圖6 輸出紋參數(shù)設(shè)置

·信號(hào)類型：有“電流”和“電壓”兩個(gè)選項(xiàng)，若接入電流探頭則測(cè)量電流信號(hào)的紋波，若接入電壓探頭則測(cè)量電壓信號(hào)的紋波；

·電流/電壓通道：探頭接入示波器的通道號(hào)；

·測(cè)試類型：測(cè)試類型有“紋波”和“噪聲”兩種，可測(cè)量紋波和噪聲的電流電壓情況；

·截止頻率：用來(lái)設(shè)置進(jìn)行低通濾波的截止頻率，濾除高頻成分得到紋波的主要成分，包括頻率和幅值。該設(shè)置用于濾波計(jì)算中，選擇不同的截止頻率時(shí)，得到的結(jié)果也是不一樣的。故需要根據(jù)具體的使用環(huán)境，來(lái)調(diào)整該頻率，以獲得理想的紋波。

點(diǎn)擊【返回】即可查看到測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。同時(shí)在屏幕上可以看到紫色的波形為濾除高頻噪聲后的紋波。濾除后的測(cè)量結(jié)果顯示在示波器左下角的表格中。測(cè)量結(jié)果表格中有 4個(gè)項(xiàng)目：

·紋波/噪聲電流：濾波后的電流有效值；

·最大峰值：濾波后的電流最大峰值；

·最小峰值：濾波后的電流最小峰值；

·頻率：濾波后信號(hào)的頻率。

圖7 輸出紋波測(cè)試結(jié)果

紋波噪聲的優(yōu)化

·確認(rèn)同軸線纜周圍是否有高頻元件及電感器件，調(diào)整同軸線纜，觀察測(cè)試結(jié)果，排除外界干擾；

·優(yōu)化開關(guān)電源電路的輸入，輸出濾波電容搭配，大電容搭配小電容，一般是100：1的比例，因?yàn)樨?fù)載運(yùn)行過(guò)程會(huì)出現(xiàn)電流用量的頻繁變化，增大電容可以顯著減小紋波噪聲，但到一定程度后效果甚微，根據(jù)實(shí)際測(cè)試調(diào)整電容的比例；

·在滿足輸出電流前提下可加大電感量，電感量越大，輸出紋波會(huì)減小，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)變差，根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況調(diào)整電感量；

·優(yōu)化輸出到反饋端的元件，減小串聯(lián)電阻，增大并聯(lián)電容，可以提高開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，優(yōu)化紋波噪聲；

·優(yōu)化PCB的布局及走線，較長(zhǎng)的走線，過(guò)孔都會(huì)引入較大的干擾，在走線中間，過(guò)孔處增加去耦電容；

·選擇動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較好的功率變換器，可以優(yōu)化重載下的紋波噪聲。