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什么是電源的紋波,如何測(cè)量它的值,又如何抑制呢?

發(fā)布時(shí)間:2021-11-10 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】我們常見的電源有線性電源和開關(guān)電源,它們輸出的直流電壓是由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。由于濾波不干凈,直流電平之上就會(huì)附著包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào),這就產(chǎn)生了紋波。


電源紋波的產(chǎn)生


我們常見的電源有線性電源和開關(guān)電源,它們輸出的直流電壓是由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。由于濾波不干凈,直流電平之上就會(huì)附著包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào),這就產(chǎn)生了紋波。在額定輸出電壓、電流的情況下,輸出直流電壓中的交流電壓的峰值就是通常所說的紋波電壓。紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào),它是圍繞著輸出的直流電壓上下來回波動(dòng)的周期性信號(hào),但周期和振幅并不是定值,而是隨著時(shí)間變化,并且不同電源的紋波波形也不一樣。


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二、紋波的危害


一般來說紋波是有百害而無一利的,紋波的危害主要有以下幾點(diǎn):


a.電源中攜帶的紋波會(huì)在電器上產(chǎn)生諧波,降低電源的使用效率;

b.較高的紋波可能會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流,從而導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行不正?;蚣铀僭O(shè)備老化;

c.在數(shù)字電路中紋波會(huì)干擾電路邏輯關(guān)系;

d.紋波還會(huì)給通信、測(cè)量和計(jì)量?jī)x器、儀表帶來噪音干擾,破壞信號(hào)的正常測(cè)量、計(jì)量,甚至損壞設(shè)備。


所以在制作電源的時(shí)候,我們都要考慮將紋波降低到百分之幾以下,對(duì)紋波要求高的設(shè)備要考慮把紋波降低到更小。


電源紋波的測(cè)量方法通常分為兩大類,一類是單獨(dú)電源的鑒定,另一類是產(chǎn)品的調(diào)試測(cè)量。


在電源行業(yè)和電源用戶對(duì)電源鑒定時(shí),要求選擇在室內(nèi)(20℃左右)進(jìn)行,濕度應(yīng)小于80%,周圍對(duì)測(cè)量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾最小,標(biāo)準(zhǔn)儀器與被檢電源應(yīng)在以上的測(cè)試環(huán)境下放置24小時(shí)以上。


對(duì)于純電源來講,測(cè)量電源紋波時(shí),要求在加載時(shí)測(cè)量,所加負(fù)載要使輸出電流大于額定輸出電流的80%以上。


對(duì)于低噪聲的純阻性負(fù)載或電子負(fù)載,還要選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。不同的標(biāo)準(zhǔn)就會(huì)產(chǎn)生不同的測(cè)量結(jié)果。


紋波電壓可以用絕對(duì)量表示,也可用相對(duì)量來表示。一般用紋波電壓與直流輸出電壓的比例來評(píng)價(jià)直流電源的濾波性能,即紋波系數(shù)。紋波系數(shù)作為評(píng)價(jià)直流電源的一個(gè)重要指標(biāo),其計(jì)算方法為紋波電壓的有效值與直流輸出電壓的百分比。


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三、電源紋波的測(cè)量


測(cè)量電源紋波一般采用示波器來測(cè)量,常用的有一下三種測(cè)量方法:


1) 靠連法


使用帶有地線環(huán)的示波器探頭,將探針直接接觸正輸出的管腳,線環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳,這是由于使得環(huán)路盡量短,這樣從示波器中讀出的峰值為輸出線上的紋波與噪聲。如下圖


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2) 直接法


將地線環(huán)直接與負(fù)輸出的管腳連接,利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測(cè)試。


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3) 絞連法


輸出管腳接雙絞線后接電容,在電容兩端用示波器測(cè)量。


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測(cè)量紋波時(shí)候,需要注意的是:要清楚紋波的帶寬上限,紋波為低頻噪聲,所以一般使用不超過紋波帶寬上限太多的示波器。


在測(cè)量時(shí),要先打開示波器的帶寬限制功能,把帶寬限制在20MHz直接用探頭的屏蔽地和輸出地連接,減少因地線過長(zhǎng)產(chǎn)生的環(huán)路干擾。在探頭接入點(diǎn)的位置并聯(lián)一個(gè)較小的瓷片電容和一個(gè)小電解電容,濾除外界干擾信號(hào)防止進(jìn)入示波器。


四、紋波的抑制方法


電源輸出紋波主要來源于五個(gè)方面:低頻輸入紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。


抑制這些紋波的通常方法是:加大濾波電路中電容容量、采用LC濾波電路、采用多級(jí)濾波電路、以線性電源代替開關(guān)電源、合理布線等。但根據(jù)它的分類,有針對(duì)性的采取措施往往會(huì)取得事半功倍的效果。


1、高頻紋波的抑制


高頻紋波噪聲多來源于高頻功率變換電路。在高頻功率變換電路中,輸入直流電壓通過高頻功率器件進(jìn)行變換后進(jìn)行整流濾波而實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓輸出中,一般會(huì)含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波,其對(duì)外電路的影響大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān),設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率,可以減少對(duì)高頻開關(guān)紋波的濾波要求。


2、低頻紋波的抑制


低頻紋波的大小與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)。電容的容量不能無限制地增加,不可避免的會(huì)造成輸出低頻紋波的殘留。交流紋波經(jīng)過DC/DC變換電路進(jìn)行衰減后輸出,屬于低頻噪聲范圍,其大小由控制系統(tǒng)的增益和DC/DC變換電路決定。由于電流型和電壓型控制DC/DC變換電路的紋波抑制能力相對(duì)均不高且他們的輸出端低頻交流紋波較大。所以必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施實(shí)現(xiàn)電源的低紋波輸出。


有的電源來說,可增大DC/DC變換器閉環(huán)增益電路和采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路可以增強(qiáng)紋波的抑制效果、可以通過改變整流濾波器的電容量以及調(diào)節(jié)反饋回路的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻紋波的抑制。


3、共模紋波的抑制


共模紋波噪聲一般出現(xiàn)在開關(guān)電源,當(dāng)開關(guān)電源的矩形波電壓作用于功率器件時(shí),與功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間的寄生電容和導(dǎo)線中存在寄生電感相互作用,產(chǎn)生共模紋波噪聲。對(duì)于共模紋波噪聲抑制的方法有:


1) 減小控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容,并在輸出端加共模抑制電感及電容;

2) 利用EMI濾波器可以有效的抑制共模紋波的干擾;

3) 降低開關(guān)毛刺幅度。


4、閉環(huán)控制環(huán)路紋波的抑制


閉環(huán)控制環(huán)路紋波的產(chǎn)生原因一般是環(huán)路中的參數(shù)設(shè)置不適當(dāng),當(dāng)輸出端存在一定波動(dòng)時(shí),反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出端的波動(dòng)電壓反饋到調(diào)節(jié)器回路,致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生自激響應(yīng),從而產(chǎn)生附加紋波。


抑制方法主要有:抑制調(diào)節(jié)器自激響應(yīng)、合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)、調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性、電源輸出端接LDO濾波,這是減少紋波和噪聲最有效的方法。


來源:EDA365電子論壇



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