①高频纹波。高频纹波来源于开关变换电路。开关电源的开关管在导通和截止的时候,都会有一个上升和下降时间,这时候在电路中就会出现一个与开关上升与下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声,一般为几十MHz。同样二极管在反向恢复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声,幅值通常要比纹波大得多。
如假设输出整流电容Cf有限,实际电容也有损耗,流进电容的电流ics是脉动的,使Vo脉动,形成纹波电压。假定D为占空比、L为储能电感、C为滤波电容、fs为开关频率,则常用的4种基本类型变换器的输出纹波电压列于表2。表2 高频纹波电压[1]
电路形式 |
BUCK |
BOOST |
BUCK-BOOST |
CUK |
纹波电压 |
(1-D)/8LCfs2 |
D/RCfs2 |
D/RCfs2 |
(1-D)/8LCfs2 |
从表2可以看出,通常高频的输出噪声,大小与开关电源的频率和输出滤波器有关。电源的开关频率越高,电感和电容值越大,则输出纹波越小。
②共模噪声。功率器件与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容,导线存在寄生电感,因此当电压作用于功率器件时,导致开关电源的输出端产生共模纹波嗓声。
③开关器件产生的噪声。随着开关的开启和关闭的切换,电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。
④调节控制环路引起的纹波噪声。实际电路中控制环路要有时间响应,不能做到线性调节,故输出电压瞬间会忽高忽低,甚至有可能造成电源系统的振荡,由此产生了纹波噪声。
2.2 纹波电压危害
在调试产品时会遇到以下这些现象:
喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音,这可能是音频范围内的类似正弦波的纹波信号推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音;
调试信号放大系统时,能看到纹波电压对放大信号产生调制,形成杂波;
如果电视图像的背景上有细横条向上或向下滚动,可能是由激励器中调制、校正等中频单元的供电电源纹波过大引起。
以上现象都可能是纹波在捣乱。纹波电压高了,有可能使电子产品产生谐波、调制等,干扰正常的工作状态;导致电源效率降低;影响数字电路的逻辑关系;干扰信号的正常传递等等。较强的纹波会产生浪涌电压或电流,有可能烧毁用电设备。要使纹波足够小,必须准确地测出纹波的大小。
3 电源纹波测量
电源纹波的测量分两大类,一类是单独电源的鉴定,另一类是产品的调试测量。
在电源行业和电源用户对电源鉴定时,要求选择在(20±5)℃的室内进行,湿度应小于80%,周围对测量有影响的机械震动及电磁干扰应减到最小,标准仪器与被检电源应在以上的检定环境下放置24h以上。对纯电源来讲,测量电源纹波时,要求在加载时测量,所加负载要使输出电流大于额定输出电流的80%以上。除选低噪声的纯阻性负载或电子负载外,还要选择对应的测量标准。不同的标准会有不同的测量结果。
纹波电压可以用绝对量,也可以用相对量来表示。纹波电压幅度与直流电压幅度之比称为电源的纹波系数,常用对数方式表示。例如一个电源工作在稳压状态,其输出为10V/1A,测得纹波的有效值为10mV,这10mV就是纹波的绝对量。而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/10V=0.1%,即等于千分之一。电源纹波的测量可以用毫伏表或示波器。
3.1 示波器测量电源纹波
目前常用示波器来测量电源纹波,除了可测量纹波的各种电压值,还可以看到波形。如使用数字示波器,注意存储深度和干扰,否则可能造成无法正确的测量。可以用模拟示波器,泰克公司生产的示波器有专门配备的电源纹波测量软件。
用示波器对电源纹波测量的连线方式有以下几种。
靠连法
使用带有地线环的示波器探头,将探针直接接触正输出的管脚,地线环直接接触负输出的管脚,这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声,如图3。
直连法
将地线环直接与负输出管脚连接,利用探头接地环进行输出端测试,如图4。
绞连法
输出管脚接双绞线后接电容,在电容两端用示波器测量。