礦用直流電源紋波測(cè)量問題探討

盛敏敏

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)上海研究院檢測(cè)中心 ，上海201401）

所有電子產(chǎn)品都需要電源提供能量，電源在提供能量的同時(shí)也帶來了紋波。紋波電壓對(duì)濾波、檢波、A／D轉(zhuǎn)換、比較器等電子電路會(huì)產(chǎn)生影響。在電源的檢測(cè)過程中，為了精確測(cè)量紋波，就要知道紋波是如何產(chǎn)生、如何用最佳方法來測(cè)量。

1 紋波產(chǎn)生機(jī)理

直流電源按調(diào)整元件的工作狀態(tài)分為線性電源和開關(guān)電源兩大類。區(qū)分線性電源和開關(guān)電源就在于其工作狀態(tài)，工作在線性區(qū)的就是線性電源，工作在開關(guān)狀態(tài)的就是開關(guān)電源。兩類電源都是由交流電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后得到。由于濾波不干凈，直流電壓中含有交流成分，直流電壓上下波動(dòng)，就像水面上波動(dòng)的水紋一樣，所以被稱作紋波。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它是圍繞輸出直流電壓上下來回波動(dòng)的周期性信號(hào)，但周期和振幅不是定值，而是隨時(shí)間而變，不同電源的紋波波形不一樣。

引起電源輸出紋波的因素比較多，大概可以分析成下列原因：電網(wǎng)的交流電壓經(jīng)過整流、濾波后所剩余的紋波；電子元器件本身的噪聲及輸出端引入的干擾信號(hào)；電路板布局不合理引入的干擾信號(hào)等。

在線性電源中，由于我國(guó)供電頻率是50 Hz，所以它的紋波主要來自工頻變壓器，紋波電壓的頻率常常是50n Hz（n取自然數(shù)），n的大小取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流，n是1；對(duì)于全波整流，n是2；對(duì)于三相全波整流，n是6。所以線性電源輸出端的紋波主要是50 Hz或50 Hz的整數(shù)倍，幅值較小，容易濾除。

開關(guān)電源由于其體積小、高可靠、低功耗、穩(wěn)壓精度高的優(yōu)點(diǎn)，被越來越多地應(yīng)用于電子電路中。開關(guān)電源的紋波產(chǎn)生機(jī)理：開關(guān)電源的紋波比較復(fù)雜、很難濾除且幅值較大，主要來源于四個(gè)方面：低頻紋波、高頻紋波、調(diào)節(jié)控制環(huán)路和共模噪聲引起的紋波噪聲。一般開關(guān)電源的紋波比線性電源的紋波要大，頻率要高。圖1為開關(guān)電源的簡(jiǎn)化電路圖。

圖1 開關(guān)電源簡(jiǎn)化電路圖

（1）低頻紋波

開關(guān)電源包括AC／DC和DC／DC部分。其中直流部分通過整流橋整流，再經(jīng)過平滑電容濾波而得。由于平滑電容不可能無限大，所以導(dǎo)致低頻紋波的存在。

（2）高頻紋波

高頻紋波來源于開關(guān)變換電路。開關(guān)電源的開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升和下降時(shí)間，這時(shí)候在電路中就會(huì)有一個(gè)與開關(guān)上升與下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復(fù)時(shí)，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會(huì)引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。還有高頻變壓器的漏感也會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。這些噪聲一般叫做高頻紋波噪聲，幅值要比低頻紋波大得多。假設(shè)輸出整流電容Cf有限，實(shí)際電容也有損耗，流進(jìn)電容的電流Ic是脈動(dòng)的，使Uo脈動(dòng)，形成紋波電壓。假定D為占空比、L為儲(chǔ)能電感、C為濾波電容、f為開關(guān)頻率，則常用的四種基本類型電路的輸出紋波電壓如表1所示。

表1 高頻紋波電壓

由表2可知，通常高頻的輸出噪聲大小與開關(guān)電源的頻率和輸出濾波器有關(guān)。電源的開關(guān)頻率越高、電感和電容值越大，則輸出的紋波越小。

（3）調(diào)節(jié)環(huán)路引起的紋波

在常用的開關(guān)電源中，通常采用電壓環(huán)與電流環(huán)的雙環(huán)控制，再加上一些保護(hù)措施，使其控制線路復(fù)雜，參數(shù)匹配要求增加。參數(shù)配置不當(dāng)，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生振蕩，輸出電壓瞬間會(huì)忽高忽低。其主要原因是反饋信號(hào)與調(diào)制信號(hào)間存在的相位差，調(diào)制方向不能與輸出控制量的變化方向相吻合。主要后果是引起功率開關(guān)管失控，使輸出波形失真，增加損耗。

（4）共模噪聲

功率器件與散熱器底板和變壓器原邊與副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí)，導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出端產(chǎn)生共模紋波噪聲。

2 紋波測(cè)量方法

電源紋波的測(cè)量可以用交流毫伏表或示波器。

用交流毫伏表來測(cè)量紋波電壓，是因?yàn)楹练碇粚?duì)交流電壓響應(yīng)，并且靈敏度高，可測(cè)量很小的交流電壓。毫伏表可以直接讀出紋波電壓的有效值、峰峰值和平均值，但其結(jié)果與毫伏表的頻響有關(guān)。在使用交流毫伏表時(shí)，要注意頻響范圍，不同范圍會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果。由于交流毫伏表不能直觀地觀測(cè)到紋波電壓的波形，目前常用示波器來測(cè)量紋波電壓。用示波器測(cè)量時(shí)連線方式有以下幾種。

靠連法：使用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，地線環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳，這樣從示波器中讀出的峰峰值為輸出線上的紋波與噪聲。

直連法：將地線環(huán)直接與負(fù)輸出管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測(cè)試。

雙絞線法：輸出管腳接雙絞線后接電容，在電容兩端用示波器測(cè)量。

用以上方法連接測(cè)量時(shí)要注意：首先，根據(jù)要求規(guī)定示波器測(cè)量紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，一般帶寬上限設(shè)為20 MHz，為了濾除疊加的直流電壓，采用AC耦合方式；其次摘掉探針“帽子”，直接用探頭的屏蔽地和信號(hào)輸出地連接，減短長(zhǎng)接地引線形成的天線；為減小探頭感應(yīng)的影響，多數(shù)情況下都采用在探頭接入點(diǎn)的位置并聯(lián)小電解電容和瓷片電容，并聯(lián)電容可以減少外接干擾信號(hào)進(jìn)入示波器，也可以將一段短線繞在探針接地線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少高頻拾取。此外把示波器引線繞在鐵芯上可減小共模電流，因?yàn)檫@樣會(huì)形成一個(gè)不影響差分電壓測(cè)量，但可降低由共模電流產(chǎn)生誤差的共模電感。在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動(dòng)的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。

3 問題提出

由于礦用直流電源輸出大多數(shù)都是本質(zhì)安全型的，本質(zhì)安全型是電氣設(shè)備的一種防爆型式，它將設(shè)備內(nèi)部和暴露于潛在爆炸環(huán)境的連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在不能產(chǎn)生點(diǎn)燃的水平。顧名思義，就是控制電源的能量輸出。根據(jù)圖1所示，為了減小電源輸出端的紋波就要加大輸出端的電容值和電感值，而電容和電感均是儲(chǔ)能元件，這樣暴露在外部的電源輸出端就成為一個(gè)潛在的危險(xiǎn)源。當(dāng)輸出端電路短路故障或者虛連時(shí)，其產(chǎn)生的火花由于其能量過大會(huì)引爆使用環(huán)境的可燃?xì)怏w，造成不可挽回事故。這就為電源電路的設(shè)計(jì)增加了難度，兩者沖突但兩者都要兼顧。

4 結(jié)束語

本文主要闡述了電源紋波的產(chǎn)生機(jī)理以及測(cè)量方法，在測(cè)量中，除了要選擇純阻性負(fù)載外，所使用的設(shè)備也要能滿足測(cè)量需求。

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