纹波电压

纹波电压的定义

狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

我国工频频率是50Hz，所以纹波电压以工频50Hz或50Hz的整数倍计取。具体取50Hz 还是50Hz的倍数，取决于整流电路的类型。对于半波整流，取50Hz；对于全波整流，取50Hz的2倍即100Hz；对于三相半波整流，取50Hz的3倍即150Hz；对于三相全波整流，取50Hz的6倍即300Hz。

对于日本、美国等国家，使用60Hz工频，计取方式只需把上述的50改为60即可。

纹波电压通常用有效值或峰值表示。

纹波电压的危害

纹波的害处：

1、容易在用设备中产生不期望的谐波，而谐波会产生较多的危害；

2、降低了电源的效率；

3、较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用设备。

4、会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；

5、会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。

纹波电压的抑制方法

抵制纹波电压的方法，常见的有以下几种：

1、在成本、体积允许的情况下，尽可能采用全波或三相全波整流电路；

2、加大滤波电路中电容容量，条件许可时使用效果更好的LC滤波电路；

3、使用效果好的稳压电路，对纹波抑制要求很高的地方使用模拟稳压电源而不使用开关电源；

4、合理布线。

开关电源测试规范

电源指标的概念、定义

一．描述输入电压影响输出电压的几个指标形式。

1．绝对稳压系数。

A．绝对稳压系数：表示负载不变时，稳压电源输出直流变化量△U0与输入电网变化量△Ui 之比。既：

K=△U0/△Ui。

B．相对稳压系数：表示负载不变时，稳压器输出直流电压Uo的相对变化量△Uo与输出电网Ui的相对变化量△Ui之比。急：

S=△Uo/Uo / △Ui/Ui

2. 电网调整率。

它表示输入电网电压由额定值变化+-10%时，稳压电源输出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。

3. 电压稳定度。

负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化△Uo/Uo（百分值），称为稳压器的电压稳定度。

二．负载对输出电压影响的几种指标形式。

1．负载调整率（也称电流调整率）。

在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。

2．输出电阻（也称等效内阻或内阻）。

在额定电网电压下，由于负载电流变化△IL引起输出电压变化△Uo，则输出电阻为

Ro=|△Uo/△IL| 欧。

三．纹波电压的几个指标形式。

所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。

问题：如何测量电源纹波？

回答：

可以先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可)，同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

1．最大纹波电压。

在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

2．纹波系数Y（%）。

在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，既y=Umrs/ Uo x100%

3．纹波电压抑制比。

在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输出电压中的纹波电压Ui~与输出电压中的纹波电压Uo~之比，即：

纹波电压抑制比=Ui~/Uo~ 。

这里声明一下：噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的2%以下。

1．如何使用示波器测量电源纹波？

可以先用示波器将波形整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量)，同时还利用示波器的FFT功能从频域分析。

通常若不太清楚被测对象细节(幅值，频率等)的情况下，可使用”AutoScale”按钮，观察到信号的大概，再调整水平控制旋钮和垂直控制旋钮，以得到最佳的显示(如，幅值尽量满屏显示)，再用Zoom功能将波形作满平放大显示，测电源纹波时，可将纹波部分用Zoom功能放大来分析；另外，可能会考虑从频域角度分析电源，观察其谐波和杂波情况，为此，可让示波器显示尽量多个周期信号，将示波器的存储深度仅可能用到最

大，采样率设置成适当的数值，以保证波形不失真，这样得到的频率分辨率为采样率除以当前存储深度设置，观察各次谐波及其与基波的幅度差。另外，若使用MatLab软件，可利用MatLab软件的强大功能对捕获的信号数据进行更加深入的分析。546xx、548xx 都标准配置有和计算机相连的软件，直接将数据取到计算机中，以进一步分析，当然，也可将Matlab软件直接装到548xx中。

若已经知道电路的参数,可直接调整示波器设置，让其工作在合适的采样率和垂直刻度下。

2。开关电源输出电压的纹波是一个重要的指标，如何正确使用示波器来测量这个指标？

纹波的定义是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，英文称为PARD (Periodic And Random Deviation)。它的定义是杂波的峰峰值。测量纹波要注意的事项：示波器探头地线会带来很大纹波，应该拔掉地线直接使用探头内地线进行测量。当然，最好的测量方法是使用50欧姆终端电阻，用BNC电缆直接联结到示波器，这里应该注意该50欧姆电阻要考虑功耗，可能要大功率电阻。相关的标准要求，比如是否要分出周期性工频纹波和开关纹波，高频噪声等。再比如，测量频率是否要限制在20MHz以下。

教您如何正确地进行电源纹波的精确测量

精确地测量电源纹波本身就是一门艺术。在图1 所示的示例中，一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针；他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近；他的最后一

个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中，存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形，其中包括耦合自电源变压器的磁场，耦合自开关节点的电场，以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

图1 错误的纹波测量得到的较差的测量结果

利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。首先，通常使用带宽限制来规定纹波，以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次，通过取掉探针“帽”，并构成一个拾波器（如图2 所示），我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围，并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度，从而进一步减少拾波。

最后，在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。要防止这一问题的出现，我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器，其在不影响差分电压测量的同时，还减少了共模电流引起的测量误差。图2 显示了该完全相同电路的纹波电压，其使用了改进的测量方法。这样，高频峰值就被真正地消除了。

图2 四个轻微的改动便极大地改善了测量结果

实际上，集成到系统中以后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中，抑或只有蚀刻存在于PWB 上。另外，在芯片周围总是会存在额外的旁路电容，它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器，进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下，电流短时流经15 nH 电感和10 μF 旁路电容的一英寸导体时，该滤波器的截止频率为400 kHz。这种情况下，就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下，该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下，从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。

开关电源的纹波测量及抑制方法

开关电源纹波的产生

我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。

上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压型电源。

随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。

另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升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D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。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。

如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波(噪声)以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。

因为本人是做汽车电子研发的，对于后两种噪声接触较少，所以暂不考虑。

开关电源纹波的测量

基本要求：

使用示波器AC耦合

20MHz带宽限制

拔掉探头的地线

1，AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

2，打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。

上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。

在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可，

关于示波器：

有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。

泰克公司有专门分开测量上述两种纹波(噪声)的软件，可以看一下参考资料5。同样，关于示波器的接地，电源测试的相关知识，也可以看一下。

开关电源纹波的抑制

对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有三种：

1，加大电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

左图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。

同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。

同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。

应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：

上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。

关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。

2，二级滤波，就是再加一级LC滤波器

LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。

但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)

采样点选在LC滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

采样点选在LC滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。

3，开关电源输出之后，接LDO滤波

这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。

任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB曲线，如右图是凌特公司LT3024的曲线。

经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。

下图是LDO前后的纹波对比：

对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。

对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，简单的可以参考美国国半公司的AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines，(网上有翻译的中文摘要)

对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。

4，在二极管上并电容C或RC

左图是实际用二极管的等效电路。二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω，电容取4.7pF-2.2nF。

详细的解释可参考资料1和2。

在二极管上并联的电容C或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。

5，二极管后接电感（EMI滤波）

这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。比较简单的做法，不再详细解释。

小结

以上是关于开关电源纹波，总结的一些内容，如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全，但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。