小功率直流開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲研究

摘要：首先討論了開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生投波和噪聲的原因，論述了開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲的測(cè)量方法。然后對(duì)S-1-Sq、琦率直流開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲進(jìn)行了測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。提出了減小開(kāi)關(guān)電源的綻波和噪聲電壓的主要措施。

關(guān)鍵詞：紋波電壓 噪聲電壓 測(cè)量裝置 高頻示波器

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X(2012)02(b)-0070-01

在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，開(kāi)關(guān)電源引起了人們的廣泛關(guān)注。線(xiàn)性電源工作于工頻，開(kāi)關(guān)電源的工作頻率為幾十上百kHZ，利用開(kāi)關(guān)電源可以大幅度節(jié)約能源，它是電源技術(shù)發(fā)展史上的一次革命。開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)：(1)功耗小效率高；(2)體積小重量輕；(3)穩(wěn)壓范圍寬。開(kāi)關(guān)電源是現(xiàn)代電子電器和電子設(shè)備(如電視機(jī)、VCD、個(gè)人計(jì)算機(jī)、測(cè)試儀器、生物醫(yī)學(xué)儀器等)的心臟和動(dòng)力。掌握開(kāi)關(guān)電源的紋波與噪聲的相關(guān)內(nèi)容，減小開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲，能夠進(jìn)一步提高電源的轉(zhuǎn)換效率。

1開(kāi)關(guān)電源的紋波與噪聲產(chǎn)生的原因

開(kāi)關(guān)電源的紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)，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(dòng)，就像水平面上波動(dòng)的水紋一樣，所以被稱(chēng)為紋波。紋波就是一個(gè)直流電壓中的交流成分。直流電壓本來(lái)應(yīng)該是一個(gè)固定的值，但是很多時(shí)候它是通過(guò)交流電壓整流、濾波后得來(lái)的，由于濾波不干凈，就會(huì)有剩余的交流成分。另外，用電池供電也因負(fù)載的波動(dòng)而產(chǎn)生波紋。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值。開(kāi)關(guān)電源的紋波主要來(lái)源于五個(gè)方面：低頻紋波、高頻紋波、共模噪聲、開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲和調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲等。開(kāi)關(guān)電源的噪聲產(chǎn)生原因有兩種，一種是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的；另一種是外界電磁場(chǎng)的干擾(EMI)，它能通過(guò)輻射進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源或者通過(guò)電源線(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)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(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源的紋波與噪聲的測(cè)量方法

紋波和噪聲電壓是開(kāi)關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測(cè)量是一個(gè)十分重要問(wèn)題。一般使用交流毫伏表來(lái)測(cè)量紋波電壓，因?yàn)榻涣骱练碇粚?duì)交流電壓響應(yīng)，并且靈敏度比較高，可測(cè)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(méi)有交流毫伏表，也可使用示波器來(lái)測(cè)量。將示波器的輸入設(shè)置為交流耦合，調(diào)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(lái)看，就會(huì)看到電壓上下輕微波動(dòng)，就像水紋一樣，所以叫做紋渡。目前測(cè)量紋渡和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來(lái)測(cè)量的方法，它能精準(zhǔn)地測(cè)出紋波和噪聲電壓值。示波器測(cè)量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖1所示。它由被測(cè)開(kāi)關(guān)電源、負(fù)載、示波器

及測(cè)量連線(xiàn)組成。有的測(cè)量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。測(cè)紋波和噪聲電壓的要求如下：(1)要防止環(huán)境的電磁場(chǎng)干擾(EMI)侵入，(2)要防止負(fù)載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾，(3)對(duì)小型開(kāi)關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無(wú)輸出電容或輸出電容較小，所以測(cè)量時(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙?。因此，測(cè)量連線(xiàn)應(yīng)盡量短，并采用雙絞線(xiàn)(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(zhuān)用示波器探頭；并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差。負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。3S-10-5小功率直流開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲的研究

利用上面介紹的測(cè)量方法對(duì)一款實(shí)際的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行紋波與噪聲測(cè)量。該測(cè)量方法是在被測(cè)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22uF電解電容，C3為0.47uF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接負(fù)載及不超過(guò)1.5m長(zhǎng)的50f2同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個(gè)50f2的電阻R和串接一個(gè)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(xiàn)應(yīng)盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，測(cè)試應(yīng)在溫室條件下，被測(cè)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。被測(cè)的S-10-5小功率直流開(kāi)關(guān)電源輸出為5V/2A，采用功率大干10W的大電阻作為負(fù)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(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲能使客戶(hù)的MCU死機(jī)，能使客戶(hù)主板上的電容爆裂等等。但在同時(shí)大家認(rèn)為紋波是可以后天整改的，其實(shí)不然。我們應(yīng)該要象對(duì)待電磁兼容一樣認(rèn)真對(duì)待紋波和噪聲。特別是用在資訊類(lèi)產(chǎn)品，就更要注意紋波和噪聲了。

4減小開(kāi)關(guān)cain，的紋波和噪聲的主要措施

開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，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(jiǎn)單的辦法是在電源電路中加無(wú)源低通濾波器。其它減少開(kāi)關(guān)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(chǎng)輻射干擾。為減少?gòu)碾娫淳€(xiàn)輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器(EMI濾波器也稱(chēng)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(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。(3)采用頻率同步方法。為減小輸出噪聲，電源的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開(kāi)關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開(kāi)關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。(4)避免多個(gè)模塊電源之間的相互干擾。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。(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(jié)語(yǔ)

電源幾乎對(duì)于每種電子產(chǎn)品都必不可少。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲的討論，使我們掌握了開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因，測(cè)量方法與測(cè)量裝置，及減小紋波和噪聲的措施。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，種類(lèi)繁多的開(kāi)關(guān)電源應(yīng)運(yùn)而生，逐漸取代傳統(tǒng)的串聯(lián)線(xiàn)性穩(wěn)壓電源。

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