电源纹波是电源设计中常见的考量参数，也是电力工程师常见的测试项目。本文将讨论电源纹波产生的原因以及电源纹波测试的正确姿势！ZLG示波器电源分析功能中有快捷测试输出纹波的功能，设置好配置即可快捷得出输出纹波参数，并支持导出报表。

什么是纹波和噪声

纹波和噪声是指在DC/DC的直流输入和输出电容器上出现的交流耦合电压信号。典型的纹波与噪声如图1所示。

纹波：开关电源对电容充放电而产生的电压波动，它具有较低的峰平均比，发生在基本开关频率，通常被称为均方根(RMS)噪声。纹波因为表征的是输入和输出电容的充放电特征，所以在开关电源的最大负载时会达到最大。纹波电压随着输入和输出电容的增大而降低。

高频噪声：开关电源的开关过程中而产生的电压毛刺，噪声的重复频率等同开关电源的开关基频，但是噪声峰值频率要比开关基频高的多。噪声的幅值取决于开关电源的拓扑结构、电路的寄生电容电感、PCB布局等。

图1 纹波与噪声示意图

纹波的类型

开关纹波：首先以降压（buck）电路为例进行说明。降压电路的开关器件以特定频率导通或关断。当器件开关时会产生与开关周期一致的开关纹波。开关纹波的频率范围通常为几十kHz至几MHz。如图2所示。

图2 开关纹波

高频纹波：由于电路中寄生电感和电容的影响，实际中的开关电源还会随着开关管的导通和截止瞬间产生高频开关噪声。开关噪声的频率高于开关频率；其幅值与寄生参数和PCB布局有较大关联。如图3所示。

图3 高频纹波

负载变化引入的纹波：在某些应用场景中，负载电流会快速变化。电流的剧烈变化会导致输出电压的波动。如图4所示。

图4 负载变化引入的纹波

纹波的危害

·电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率；

·较高的纹波可能会产生浪涌电压或电流，从而导致电气设备运行不正常或加速设备老化；

·在数字电路中纹波会干扰电路逻辑关系；

·纹波还会给通信、测量和计量仪器、仪表带来噪音干扰，破坏信号的正常测量、计量，甚至损坏设备。

电源纹波测试方案

示波器电源分析功能中有快捷测试输出纹波的功能，设置好配置即可快捷得出输出纹波参数，并支持导出报表。

测试步骤：

示波器与探头连接示意图如图5所示。输出端信号接入到示波器中，其中通道1接高压差分探头，通道2接电流探头。（注意：若输出电压较大可选用高压差分探头，若输出电压较小使用普通探头即可）

图5 探头与电路连接示意图

调节好电流探头和电压探头的探头比率后，点击【Auto Setup】一键捕获波形信号， 波形信号以较好的效果显示在屏幕上，若看到的信号为一条直线，可将信号的垂直档位放大后看波形，因为输出纹波信号幅度比较小。点击【通道1】进入通道界面，将通道耦合方式改为【交流】。

点击【Analyze】进入电源分析界面，功能选择【输出纹波】，点击【参数配置】进入参数配置界面，如图6所示。

图6 输出纹参数设置

·信号类型：有“电流”和“电压”两个选项，若接入电流探头则测量电流信号的纹波，若接入电压探头则测量电压信号的纹波；

·电流/电压通道：探头接入示波器的通道号；

·测试类型：测试类型有“纹波”和“噪声”两种，可测量纹波和噪声的电流电压情况；

·截止频率：用来设置进行低通滤波的截止频率，滤除高频成分得到纹波的主要成分，包括频率和幅值。该设置用于滤波计算中，选择不同的截止频率时，得到的结果也是不一样的。故需要根据具体的使用环境，来调整该频率，以获得理想的纹波。

点击【返回】即可查看到测量结果，如图7所示。同时在屏幕上可以看到紫色的波形为滤除高频噪声后的纹波。滤除后的测量结果显示在示波器左下角的表格中。测量结果表格中有 4个项目：

·纹波/噪声电流：滤波后的电流有效值；

·最大峰值：滤波后的电流最大峰值；

·最小峰值：滤波后的电流最小峰值；

·频率：滤波后信号的频率。

图7 输出纹波测试结果

纹波噪声的优化

·确认同轴线缆周围是否有高频元件及电感器件，调整同轴线缆，观察测试结果，排除外界干扰；

·优化开关电源电路的输入，输出滤波电容搭配，大电容搭配小电容，一般是100：1的比例，因为负载运行过程会出现电流用量的频繁变化，增大电容可以显著减小纹波噪声，但到一定程度后效果甚微，根据实际测试调整电容的比例；

·在满足输出电流前提下可加大电感量，电感量越大，输出纹波会减小，但动态响应变差，根据实际测试情况调整电感量；

·优化输出到反馈端的元件，减小串联电阻，增大并联电容，可以提高开关电源的动态响应，优化纹波噪声；

·优化PCB的布局及走线，较长的走线，过孔都会引入较大的干扰，在走线中间，过孔处增加去耦电容；

·选择动态响应比较好的功率变换器，可以优化重载下的纹波噪声。

关键词:电源纹波 测试

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来 源：ZLG致远仪器

编辑：清风

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