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

在飛速發展的現代技術下，開關電源的優點有許多，例如重量輕、效率高、體積小等，在許多的行業以及家庭中都得到了廣泛的使用，但是，這也給開關造成了嚴重的干擾。電源在給電子產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 紋波產生的機理

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

開關電源被廣泛應用于電子電路中，其紋波產生的機理是：由于開關電源出現的紋波比較復雜，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，這就會導致出現低頻紋波；②高頻紋波，在開關變換電路的過程中，就會產生高頻紋波。當開關電源的開關管在截止和導通時，就會產生一個上升和下降的時間，與此同時，就會出現頻率相同或奇數倍頻的噪聲；③調節環路引起的紋波，通常情況下，在使用開關電源的過程中，就會采用電流環和電壓環的雙環控制，然后進行保護，從而使控制的線路變得復雜，導致參數需要的匹配增加。但是，如果參數的配置不適合，就會產生振蕩，從而使輸出電壓在短期不穩定。這將會導致功率開關管失控，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生寄生電容，就會導致它們出現寄生電感。一旦電壓對功率器件產生一定的作用，就會使開關電源的輸出端產生共模紋波噪聲。一般情況下，開關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。由于毫伏表只能夠對交流電壓產生作用，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，而且這些數值對毫伏表的頻響有很大的關系。[4]在使用的過程中，由于在不同的范圍內，會產生不同的測量結果，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：通過探頭接地環的方式，將負輸出管腳與地線環連接，然后進行輸出端測試。由于在電源內部的開關器件工作的過程中，在高頻震蕩波的作用下，會產生一定的輻射，尤其是測量開關電源紋波的過程中，如果缺乏對電源設計的屏蔽重視，這就是探頭地線與回路接收，就會產生很大的干擾信號。[5]

靠連法：采用帶有地線環的示波器探頭，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，能夠在比較復雜的環境中使用，但是應對同軸線以及引入的網絡接法引起重視，盡可能縮短引腳和引線，從而減少或避免形成于感應輻射類似的環型天線的環路。[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，并能夠區分，然后針對不同的測量需要和不同的環境，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，有些行業根據自身的特點，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定，這時就需要按照標準的規定，采用適當的方法來進行測量。

3.2 示波器的帶寬

在采用連接測量的方法時，要根據帶寬規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，一般要將帶寬設定為20MHz，要將示波器的帶寬設定在50MHz以上。對這種要求的設定，主要是由于以下幾個原因：①由于目前采用的電源開關產品的開關頻率主要在幾十kHz與幾MHz之間，因此，這就會使開關器件在工作的過程中產生干擾，從而導致存在低頻段，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帶寬內的干擾信號，就應在測量的過程中降低測量產生的誤差，因此，這就需要經示波器本身的工作帶寬測量帶寬提高到3倍以上。但是，根據市場上示波器的規格，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，能夠在示波器內將帶寬開/關設置為20MHz，但是，如果要采用安捷倫示波器，就沒有這種帶寬選項，在其內部可以將帶寬開/關設置為25MHz，這就需要重新購買20MHz專用探頭。

在實際的應用中，我們還應注意，由于不同行業的要求不同，例如通信行業，礦產行業，就不能只考慮20MHz以下的干擾，應根據實際的情況，采用合適的測量帶寬。

4 結語

如果沒有制定專門的標準和統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，盡量采用行業內的相關標準。直流電源的生產商，應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果更加精準。對于直流電源輸出的紋波測量，只有采用統一標準，才能夠有利于改善電源電路，從而減小電源的紋波。

[1]王倩,武和雷.基于C8051F350的直流電壓與紋波測量系統[J].化工自動化及儀表.2010，13(08)，125-126

[2]于進杰,馮根生,李威.紋波的抑制方法探討及措施[J].廣西輕工業.2008，7(09)，56-57

[3]同金,馬煜峰.直流電源輸出的紋波和噪聲的測量[J].電子測試.2010，6(02)，146-148

[4]張國安,翟長生,祁承超,張顯才.沖量控制技術消除開關電源低頻紋波的研究[J].電力電子技術.2009，15(04)，213-215

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

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

[7]唐金元,王翠珍.0～24V可調直流穩壓電源電路的設計方法[J].現代電子技術.2008，10(04)，89-91

[8]董玉林,王曉明,劉瑤,周青山.開關電源紋波和噪聲的抑制[J].遼寧工業大學學報(自然科學版).2008，16(05)，102-103