開關電源的紋波和噪聲

開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較，最突出的優點是轉換效率高，一般可達80%～85%，高的可達90%～97%；其次，開關電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應用范圍越來越廣。但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀態，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），最好產品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線性電源的調整管工作于線性狀態，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

本文簡單地介紹開關電源產生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。
　　
紋波和噪聲產生的原因
開關電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。

噪聲的產生原因有兩種，一種是開關電源自身產生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。

開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態及PCB的設計有關。

利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開關管頻率相同，而噪聲的頻率是開關管的兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電壓的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓，其單位是mVp-p。

圖1 紋波和噪聲的波形
　　
紋波和噪聲的測量方法
紋波和噪聲電壓是開關電源的主要性能參數之一，因此如何精準測量是一個十分重要問題。目前測量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來測量的方法，它能精準地測出紋波和噪聲電壓值。

由于開關電源的品種繁多（有不同的拓撲、工作頻率、輸出功率、不同的技術要求等），但是各生產廠家都采用示波器測量法，僅測量裝置上不完全相同，因此各廠對不同開關電源的測量都有自己的標準，即企業標準。

用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開關電源、負載、示波器及測量連線組成。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。

圖2 示波器測量框圖

從圖2來看，似乎與其他測波形電路沒有什么區別，但實際上要求不同。測紋波和噪聲電壓的要求如下：

● 要防止環境的電磁場干擾（EMI）侵入，使輸出的噪聲電壓不受EMI的影響；

● 要防止負載電路中可能產生的EMI干擾；

● 對小型開關型模塊電源，由于內部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上適當的輸出電容。

為滿足第1條要求，測量連線應盡量短，并采用雙絞線（消除共模噪聲干擾）或同軸電纜；一般的示波器探頭不能用，需用專用示波器探頭；并且測量點應在電源輸出端上，若測量點在負載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第2點，負載應采用阻性假負載。

經常有這樣的情況發生，用戶買回的開關電源或模塊電源，在測量紋波和噪聲這一性能指標時，發現與產品技術規格上的指標不符，大大地超過技術規格上的性能指標要求，這往往是用戶的測量裝置不合適，測量的方法（測量點的選擇）不合適或采用通用的測量探頭所致。

幾種測量裝置
1雙絞線測量裝置
雙絞線測量裝置如圖3所示。采用300mm（12英寸）長、#16AWG線規組成的雙絞線與被測開關電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。在雙絞線末端接一個4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業標準為20MHz）的示波器。在測量點連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

圖3 雙絞線測量裝置

這里要注意的是，雙絞線接地線的末端要盡量的短，夾在探頭的地線環上。

2 平行線測量裝置
平行線測量裝置如圖4所示。圖4中，C1是多層陶瓷電容（MLCC），容量為1μF，C2是鉭電解電容，容量是10μF。兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸出電壓值的2%。該測量方法的優點是與實際工作環境比較接近，缺點是較容易撿拾EMI干擾。

圖4 平行線測量裝置

3 專用示波器探頭
圖5所示為一種專用示波器探頭直接與波測電源靠接。專用示波器探頭上有個地線環，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環接觸電源的負極（GND），接觸要可靠。

圖5 示波器探頭的接法

這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因為通用示波器探頭的地線不屏蔽且較長，容易撿拾外界電磁場的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受干擾的影響越大，如圖6所示。

圖6 通用探頭易造成干擾

4 同軸電纜測量裝置
這里介紹兩種同軸電纜測量裝置。圖7是在被測電源的輸出端接R、C電路后經輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端；圖8是同軸電纜直接接電源輸出端，在同軸電纜的兩端串接1個0.68μF陶瓷電容及1個47Ω/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和電容電阻的連接如圖9所示。

圖7 同軸電纜測量裝置1

圖8 同軸電纜測量裝置2

圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接

紋波和噪聲的測量標準
以上介紹了多種測量裝置，同一個被測電源若采用不同的測量裝置，其測量的結果是不相同的，若能采用一樣的標準測量裝置來測，則測量的結果才有可比性。近年來出臺了幾個測量紋波和噪聲的標準，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置，如圖10所示。

圖10 基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置

該標準規定在被測電源輸出正、負端小于150mm處并聯兩個電容C2及C3，C2為22μF電解電容，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負載及不超過1.5m長的50Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻R和串接一個4700pF的電容C1后接入示波器，示波器的帶寬為100MHz。同軸電纜的兩端連接線應盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，連接負載的線若越長，則測出的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必要連接C2及C3。若示波器探頭的地線太長，則紋波和噪聲的測量不可能精確。

另外，測試應在溫室條件下，被測電源應輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負載電流。

不正確與正確測量的比較
1探頭的選擇
圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC轉換器電路及測量正確和不正確的波形圖。若采用普通的示波器探頭來測量（如圖12所示），由于地線與探頭組成的回路面積太大（由剖面線組成的面積），它相當于一根“天線”，極易受到EMI的干擾，其輸出的紋波和噪聲電壓相當大（見圖11中右面的示波器波形圖中綠色的紋波和噪聲波形）。若采用專用的測量探頭（如圖13所示），它的地線極短，探頭與地線組成回路面積較小，受到EMI干擾極小，其輸出紋波和噪聲波形如圖11右面的紅色線所示。這例子說明一般通用示波器的探頭是不能用的。

圖11 AAT1121電路測量波形

圖12 用普通示波器探頭測得的波形