探討直流電源輸出紋波的測量方法及其注意事項

劉文生 陳壽平

（1.東莞市輸變電工程公司 523413；2.東莞市供電局變電管理一所 523122）

0 引言

在飛速發(fā)展的現(xiàn)代技術(shù)下，開關(guān)電源的優(yōu)點有許多，例如重量輕、效率高、體積小等，在許多的行業(yè)以及家庭中都得到了廣泛的使用，但是，這也給開關(guān)造成了嚴重的干擾。電源在給電子產(chǎn)品提供能量的同時也給其帶來了紋波，在紋波電壓的作用下，就會給電子電路產(chǎn)生一定的影響。因此，在電源的檢測過程中，要進行精確測量紋波，下面我們就介紹幾種測量方法以供參考。

1 紋波產(chǎn)生的機理

按照直流電源的調(diào)整元件工作狀態(tài)，可以將其分為開關(guān)電源和線性電源。開關(guān)電源的線性電源的區(qū)別，主要在于它們的工作狀態(tài)，開關(guān)在工作狀態(tài)是開關(guān)電源，在線性區(qū)工作就是線性電源。由于目前對開關(guān)電源的使用更加廣泛，因此，下面著重分析一下開關(guān)電源。

開關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于電子電路中，其紋波產(chǎn)生的機理是：由于開關(guān)電源出現(xiàn)的紋波比較復(fù)雜，而且很難濾除幅值，它主要來源于四種紋波：①低頻紋波，開關(guān)電源包括DC/DC和AC/DC兩個部分。其中，直流電源的部分是通過整流橋進行整流，然后經(jīng)過平滑電容濾波而得到的。但是，平滑電容的有限的，因此，這就會導(dǎo)致出現(xiàn)低頻紋波；②高頻紋波，在開關(guān)變換電路的過程中，就會產(chǎn)生高頻紋波。當開關(guān)電源的開關(guān)管在截止和導(dǎo)通時，就會產(chǎn)生一個上升和下降的時間，與此同時，就會出現(xiàn)頻率相同或奇數(shù)倍頻的噪聲；③調(diào)節(jié)環(huán)路引起的紋波，通常情況下，在使用開關(guān)電源的過程中，就會采用電流環(huán)和電壓環(huán)的雙環(huán)控制，然后進行保護，從而使控制的線路變得復(fù)雜，導(dǎo)致參數(shù)需要的匹配增加。但是，如果參數(shù)的配置不適合，就會產(chǎn)生振蕩，從而使輸出電壓在短期不穩(wěn)定。這將會導(dǎo)致功率開關(guān)管失控，使損耗加大。[2]④共模噪聲，當散熱器底板和變壓器的邊緣之間產(chǎn)生寄生電容，就會導(dǎo)致它們出現(xiàn)寄生電感。一旦電壓對功率器件產(chǎn)生一定的作用，就會使開關(guān)電源的輸出端產(chǎn)生共模紋波噪聲。一般情況下，開關(guān)電源的紋波要大于線性電源紋波，而且頻率迆比較高。[3]下圖1為開關(guān)電源的簡化電路圖。

2 紋波測量的方法

電源紋波的測量有兩種工具，分別了示波器和交流豪伏表。由于毫伏表只能夠?qū)涣麟妷寒a(chǎn)生作用，而且具有較高的靈敏度，能夠檢測到很小的交流電壓，因此，要采用交流毫伏表。通過毫伏表，能夠就愛那個紋波電壓中的峰峰值、有效值和平均值讀出，而且這些數(shù)值對毫伏表的頻響有很大的關(guān)系。[4]在使用的過程中，由于在不同的范圍內(nèi)，會產(chǎn)生不同的測量結(jié)果，因此，要重視頻響的范圍。但是，交流毫伏表不能夠在直觀的情況下，觀測到紋波電壓的波形，因此，對于紋波電壓的測量，一般都采用示波器。采用示波器測量時，連線的方式主要有以下幾種：

直連法：通過探頭接地環(huán)的方式，將負輸出管腳與地線環(huán)連接，然后進行輸出端測試。由于在電源內(nèi)部的開關(guān)器件工作的過程中，在高頻震蕩波的作用下，會產(chǎn)生一定的輻射，尤其是測量開關(guān)電源紋波的過程中，如果缺乏對電源設(shè)計的屏蔽重視，這就是探頭地線與回路接收，就會產(chǎn)生很大的干擾信號。[5]

靠連法：采用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針與正輸出管教直接接觸，然后將地線環(huán)直接與負輸出的管腳接觸，通過這種方法，就能夠通過示波器，將峰峰值為輸出線上的紋波和噪聲讀出。

圖1 開關(guān)電源簡化電路圖

雙絞線法：當輸出管教與雙絞線后接電容后，就可以采用示波器測量電容的兩端。

此外，我們還可以采用50Ω的同軸電纜代替示波器探頭的方式進行測量，采用這種方法，能夠在比較復(fù)雜的環(huán)境中使用，但是應(yīng)對同軸線以及引入的網(wǎng)絡(luò)接法引起重視，盡可能縮短引腳和引線，從而減少或避免形成于感應(yīng)輻射類似的環(huán)型天線的環(huán)路。[6]

3 紋波測量需注意的事項

3.1 測量方法的選擇

在工程上測量干擾信號時，對其精準并沒有很高的要求，其主要的目的是為了找出問題，然后提出措施解決。因此，在測量的過程中，要根據(jù)具體的方法 進行測量，盡量采用方便使用的測量方法。[7]這就需要我們對各種不同的測量方法有足夠的了解，并能夠區(qū)分，然后針對不同的測量需要和不同的環(huán)境，從而選擇使用的測量方法，進行準確的測量噪聲和紋波。在紋波測量的過程中，采用同軸電纜測量，也有許多不同的方法，其主要的目的是為了消除測量線段和示波器段接入元件的干擾。因此，有些行業(yè)根據(jù)自身的特點，對電源的采用制定的專門的標準，并對測量方法進行具體的規(guī)定，這時就需要按照標準的規(guī)定，采用適當?shù)姆椒▉磉M行測量。

3.2 示波器的帶寬

在采用連接測量的方法時，要根據(jù)帶寬規(guī)定示波器測量的紋波帶寬上限，從而避免超出紋波的帶寬上限而出現(xiàn)高頻噪聲。[8]一般情況下，如果沒有特殊的要求，在測試的過程中，一般要將帶寬設(shè)定為20MHz，要將示波器的帶寬設(shè)定在50MHz以上。對這種要求的設(shè)定，主要是由于以下幾個原因：①由于目前采用的電源開關(guān)產(chǎn)品的開關(guān)頻率主要在幾十kHz與幾MHz之間，因此，這就會使開關(guān)器件在工作的過程中產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致存在低頻段，這就會在很大程度上小于20MHz。但是，由于歷史因素 ，如果沒有特殊的要求，在測量紋波的過程中，要采用默認為20MHz帶寬進行示波器測試。②為了能夠準確的測量到20MHz帶寬內(nèi)的干擾信號，就應(yīng)在測量的過程中降低測量產(chǎn)生的誤差，因此，這就需要經(jīng)示波器本身的工作帶寬測量帶寬提高到3倍以上。但是，根據(jù)市場上示波器的規(guī)格，在示波器的選擇上，采用50MHz以上的帶寬就能夠滿足。③采用泰克示波器，能夠在示波器內(nèi)將帶寬開/關(guān)設(shè)置為20MHz，但是，如果要采用安捷倫示波器，就沒有這種帶寬選項，在其內(nèi)部可以將帶寬開/關(guān)設(shè)置為25MHz，這就需要重新購買20MHz專用探頭。

在實際的應(yīng)用中，我們還應(yīng)注意，由于不同行業(yè)的要求不同，例如通信行業(yè)，礦產(chǎn)行業(yè)，就不能只考慮20MHz以下的干擾，應(yīng)根據(jù)實際的情況，采用合適的測量帶寬。

4 結(jié)語

如果沒有制定專門的標準和統(tǒng)一的要求測量直流電源輸出紋波，就可以采用本文中提到的測量方法進行測量。但是在測量之前，一定要對被測電源是否有特殊的要求一定要弄清楚，盡量采用行業(yè)內(nèi)的相關(guān)標準。直流電源的生產(chǎn)商，應(yīng)盡量與客戶進行溝通，得到客戶的認可，從而使得出的測量結(jié)果更加精準。對于直流電源輸出的紋波測量，只有采用統(tǒng)一標準，才能夠有利于改善電源電路，從而減小電源的紋波。

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[5]劉晨曦,趙莉華,白三中.一種融合開關(guān)電源和線性電源特性的DC/DC變換器[J].電源技術(shù)應(yīng)用.2008，12(11)，163-165

[6]李凱,于進杰.紋波的產(chǎn)生機理與抑制方法的探討[J].電子技術(shù).2010，6(08)，157-159

[7]唐金元,王翠珍.0～24V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源電路的設(shè)計方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù).2008，10(04)，89-91

[8]董玉林,王曉明,劉瑤,周青山.開關(guān)電源紋波和噪聲的抑制[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2008，16(05)，102-103