開關(guān)電源（包括AC/DC轉(zhuǎn)換器,、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較,，最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高,，一般可達(dá) 80%～85%，高的可達(dá)90%～97%,；其次,，開關(guān)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(yīng)用范圍越來越廣。但 開關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開關(guān)管工作于高頻開關(guān)狀態(tài),，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(chǎn)品的紋 波和噪聲電壓也有幾十mV,；而線性電源的調(diào)整管工作于線性狀態(tài),，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小,，其單位是μV,。

      本文簡(jiǎn)單地介紹開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測(cè)量方法,、測(cè)量裝置、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及減小紋波和噪聲的措施,。

紋波和噪聲產(chǎn)生的原因

        開關(guān)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(dòng),，與開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開,、關(guān)過程,， 電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過程,，從而造成輸出電壓的波動(dòng),，波動(dòng)頻率與開關(guān)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(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān),。

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

       開關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串,，由發(fā)生在開關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成,，也稱為開關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關(guān)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(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān),。

        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(guān)管頻率相同,，而噪聲的頻率是開關(guān)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(cè)量方法
 

         紋波和噪聲電壓是開關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，因此如何精準(zhǔn)測(cè)量是一個(gè)十分重要問題,。目前測(cè)量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來測(cè)量的方法,，它能精準(zhǔn)地測(cè)出紋波和噪聲電壓值。

        由于開關(guān)電源的品種繁多（有不同的拓?fù)?、工作頻率,、輸出功率,、不同的技術(shù)要求等），但是各生產(chǎn)廠家都采用示波器測(cè)量法,，僅測(cè)量裝置上不完全相同,，因此各廠對(duì)不同開關(guān)電源的測(cè)量都有自己的標(biāo)準(zhǔn)，即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),。

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

圖2 示波器測(cè)量框圖

       從圖2來看,，似乎與其他測(cè)波形電路沒有什么區(qū)別，但實(shí)際上要求不同,。測(cè)紋波和噪聲電壓的要求如下：

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

● 要防止負(fù)載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾,；

● 對(duì)小型開關(guān)型模塊電源,，由于內(nèi)部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測(cè)量時(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/p>

       為滿足第1條要求,，測(cè)量連線應(yīng)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(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上，若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差,。為滿足第2點(diǎn),，負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。

        經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生,，用戶買回的開關(guān)電源或模塊電源,，在測(cè)量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時(shí)，發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符,，大大地超過技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求,，這往往是用戶的測(cè)量裝置不合適，測(cè)量的方法（測(cè)量點(diǎn)的選擇）不合適或采用通用的測(cè)量探頭所致,。

幾種測(cè)量裝置
 

1雙絞線測(cè)量裝置
        雙絞線測(cè)量裝置如圖3所示,。采用300mm（12英寸）長(zhǎng)、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測(cè)開關(guān)電源的+OUT及-OUT連接,，在+OUT與-OUT之 間接上阻性假負(fù)載,。在雙絞線末端接一個(gè)4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz）的示波器,。在測(cè)量點(diǎn)連接時(shí)，一端要 接在+OUT上,，另一端接到地平面端,。

圖3 雙絞線測(cè)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(huán)上,。

2 平行線測(cè)量裝置
          平行線測(cè)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(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工作環(huán)境比較接近,，缺點(diǎn)是較容易撿拾EMI干擾,。

圖4 平行線測(cè)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(cè)電源靠接。專用示波器探頭上有個(gè)地線環(huán),，其探頭的尖端接觸電源輸出正極,，地線環(huán)接觸電源的負(fù)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?yàn)橥ㄓ檬静ㄆ魈筋^的地線不屏蔽且較長(zhǎng),，容易撿拾外界電磁場(chǎng)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(cè)量裝置
         這里介紹兩種同軸電纜測(cè)量裝置,。圖7是在被測(cè)電源的輸出端接R、C電路后經(jīng)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(gè)0.68μF陶瓷電容及1個(gè)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(cè)量裝置1

圖8 同軸電纜測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

       以上介紹了多種測(cè)量裝置,，同一個(gè)被測(cè)電源若采用不同的測(cè)量裝置，其測(cè)量的結(jié)果是不相同的,，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置來測(cè),，則測(cè)量的結(jié)果才有可比性,。近年來出臺(tái)了幾個(gè)測(cè)量紋波和噪聲的標(biāo)準(zhǔn)，本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置,，如圖10所示,。

圖10 基于JEITA-RC9131A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置

        該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測(cè)電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個(gè)電容C2及C3,，C2為22μF電解電容,，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接 負(fù)載及不超過1.5m長(zhǎng)的50Ω同軸電纜,，同軸電纜的另一端連接一個(gè)50Ω的電阻R和串接一個(gè)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(yīng)盡可能地短,，以防止撿拾輻射的噪聲,。另外，連接負(fù)載的線若越長(zhǎng),，則測(cè)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(zhǎng),，則紋波和噪聲的測(cè)量不可能精確,。

          另外，測(cè)試應(yīng)在溫室條件下,，被測(cè)電源應(yīng)輸入正常的電壓,，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。

不正確與正確測(cè)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(zhuǎn)換器電路及測(cè)量正確和不正確的波形圖,。若采用普通的示波器探頭來測(cè)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(dāng)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(dāng)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(cè)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(cè)量波形

圖12 用普通示波器探頭測(cè)得的波形

 

圖13 用專用測(cè)量探頭測(cè)得的波

2 探頭與測(cè)試點(diǎn)的接觸是否良好
         以金升陽(yáng)公司的1W DC/DC電源模塊IF0505RN-1W為例,，采用專用探頭靠測(cè)法,，排除外界EMI噪聲干擾，探頭接觸良好時(shí)，測(cè)出的紋波和噪聲電壓為4.8mVp-p,，如圖14所示,。若觸頭接觸不良時(shí)，則測(cè)出的紋波和噪聲電壓為8.4mVp-p,，如圖15所示,。

圖14 電源模塊IF0505RN-1W測(cè)試波形（接觸良好）

圖15 電源模塊IF0505RN-1W測(cè)試波形（接觸不良）

           這里順便再用普通示波器探頭測(cè)試一下，其測(cè)試結(jié)果是紋波和噪聲電壓為48mVp-p,，如圖16所示,。

圖16 電源模塊IF0505RN-1W測(cè)試波形（普通探頭）

減小紋波和噪聲電壓的措施
         開關(guān)電源除開關(guān)噪聲外，在AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)全波整流及電容濾波,，電流波形為脈沖,，如圖17所示（圖a是全波整流、濾波電路,，b是電壓及電流波 形）,。電流波形中有高次諧波，它會(huì)增加噪聲輸出,。良好的開關(guān)電源（AC/DC轉(zhuǎn)換器）在電路增加了功率因數(shù)校正（PFC）電路,，使輸出電流近似正弦波，降 低高次諧波,，功率因數(shù)提高到0.95左右,，減小了對(duì)電網(wǎng)的污染。電路圖如圖18所示,。

圖17 開關(guān)電源整流波形

圖18 開關(guān)電源PFC電路

         開關(guān)電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓?fù)?，各部分電路的設(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。例如,，采用多相輸出結(jié)構(gòu),，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關(guān) 電源的開關(guān)頻率越來越高,；低的是幾十kHz,，一般是幾百kHz，而高的可達(dá)1MHz以上,。因此產(chǎn)生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高,，要減小紋波和噪聲最 簡(jiǎn)單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。

1減少EMI的措施
         可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場(chǎng)輻射干擾,。為減少?gòu)碾娫淳€輸入的電磁干擾,，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖19所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）,。

圖19 開關(guān)電源加EMI濾波

2 在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容
      采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的,，其特點(diǎn)是尺寸小而電容量大,，高頻下ESR阻抗低,，允許紋波電流大。它最適用于高效率,、低電 壓,、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如,，一種高分子聚合物鉭固態(tài)電解電容為68μF,，其在20℃、100kHz時(shí)的等效 串聯(lián)電阻（ESR）最大值為25mΩ,，最大的允許紋波電流（在100kHz時(shí)）為2400mArms,，其尺寸 為：7.3mm（長(zhǎng)）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號(hào)為10TPE68M（貼片或封裝）,。

       紋波電壓ΔVOUT為：
        ΔVOUT=ΔIOUT×ESR        （1)
       若ΔIOUT=0.5A,，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=12.5mV,。

       若采用普通的鋁電解電容作輸出電容,，額定電壓10V、額定電容量100μF,，在20℃,、120Hz時(shí)的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA,。它 只能工作于10kHz左右,，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量也無效,，因?yàn)槌^10kHz時(shí),，它已成電感特性了。

        某些開關(guān)頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源,，采用多層陶電容（MLCC）或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯(cuò),，其價(jià)位要比高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)電容要低得多。

3 采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步
         為減小輸出噪聲,，電源的開關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步,，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同,。

4 避免多個(gè)模塊電源之間相互干擾
         在同一塊PCB上可能有多個(gè)模塊電源一起工作,。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近,，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加,。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。

           例如,，用兩個(gè)K7805-500開關(guān)型模塊組成±5V輸出電源時(shí),，若兩個(gè)模塊靠的很近，輸出電容C4,、C2未采用低ESR電容,，且焊接處離輸出端較遠(yuǎn)，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加,，如圖20所示,。
         如果在同一塊PCB上有能產(chǎn)生噪聲干擾的電路，則在設(shè)計(jì)PCB時(shí)要采取相似的措施以減少干擾電路對(duì)開關(guān)電源的相互干擾影響,。

圖20 K7805-500并聯(lián)

5 增加LC濾波器
         為減小模塊電源的紋波和噪聲,，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖21所示,。圖21左圖是單輸出,，圖21右圖是雙輸出。

圖21 在DC/DC模塊中加入LC濾波器

         在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時(shí)的電容值,。要注意的是,，電容量不能過大而造起動(dòng)問題，LC的諧振頻率必須與開關(guān)頻率要錯(cuò)開以避免相互干擾,，L采用μH極的,，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度,。

6 增加LDO

        在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲,，以滿足對(duì)噪聲特別有要求的電路需要（見圖22），輸出噪聲可達(dá)μV級(jí),。

圖22 在電源中加入LDO

           由于LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV,，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大,。

7 增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器
         有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲,，并且對(duì)衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時(shí),，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲,，在滿載時(shí)效率可達(dá)99%。

         輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上,，并且能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容,。