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介绍电源纹波的产生、丈量和抑造

拉斯维加斯官网光科技admin2018-01-19

  1 电源纹波

    纹波是附着于直流电平之上的蕴含周期性与随机性成分的杂波信号,指在额定输出电压、电流的情况下,输出电压中的互换电压的峰值。狭义上的纹波电压,是指输出直流电压中含有的工频互换成分。

    纹波用示波器能够看到,在直流电压高低轻微颠簸,就像水平面上颠簸的水纹一样,所以被称为纹波。

   1.1 电源纹波产生

    

    我们通常在产品中用的电源重要有线性电源和开关电源二大类,输出的直流电压是一个固定值,由互换电压经整流、滤波、稳压后得到。由于滤波不干净,直流电压中含有互换成分,这就产生了纹波。纹波是一种复杂的杂波信号,它是萦绕输出直流电压高低来回颠簸的周期性信号,但周期和振幅不是定值,随功夫而变,分歧电源的纹波波形不一样。产生电源纹波的成分有很多,即便你用电池供电也会因负载的颠簸而产生波纹。

    线性电源

    由于我国供电频率是50Hz,所以它的纹波重要来自工频50Hz变压器,纹波电压的频率时时是50nHz,n取天然数,大幼取决于整流电路的类型。对于半波整流,是1 ;对于全波整流,是2 ;对于三相全波整流,是6,即300Hz。所以这种电源的输出端纹波重要是50HZ或它的整数倍,幅值幼,较易滤除,通常纹波可做到几mV。

    如假定整流桥输出负载电流IL,负载电压VL,整流桥输人互换电压幅值Vm及其输人互换电压频率f,则其输出的纹波电压由表1各式推算。


表1 整流纹波电压 

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选取功率匹配法或等效电流源法推算纹波电压,通常暗示为:

    △U=ILsin2wt/(2wC)    (1)

    从式(1)中能够看出,纹波频率为输人频率的两倍,其幅值正迸宗变换器的输出电流,反迸宗输人电压频率和滑润电容的大幼。

    开关电源

    产生的纹波比力复杂、很难滤除且幅值较大。重要起源于五个方面:除低频纹波表还有高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节节造环路引起的纹波噪声。通常开关电源的纹波比线性电源的纹波要大,频率要高。

    ①高频纹波。高频纹波起源于开关变换电路?氐缭吹目毓茉诘纪ê徒刂沟氖背,城市有一个上升和降落功夫,这时辰在电路中就会出现一个与开关上升与降落功夫的频率一样或者奇数倍频的噪声,通常为几十MHz。同样二极管在反向复原瞬间,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 ;褂懈咂当溲蛊鞯穆└幸不岵咂底倘。这些噪声通常叫做高频纹波噪声,幅值通常要比纹波大得多。

 开关电源

    产生的纹波比力复杂、很难滤除且幅值较大。重要起源于五个方面:除低频纹波表还有高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节节造环路引起的纹波噪声。通常开关电源的纹波比线性电源的纹波要大,频率要高。

    ①高频纹波。高频纹波起源于开关变换电路?氐缭吹目毓茉诘纪ê徒刂沟氖背,城市有一个上升和降落功夫,这时辰在电路中就会出现一个与开关上升与降落功夫的频率一样或者奇数倍频的噪声,通常为几十MHz。同样二极管在反向复原瞬间,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 ;褂懈咂当溲蛊鞯穆└幸不岵咂底倘。这些噪声通常叫做高频纹波噪声,幅值通常要比纹波大得多。

开关纹波和高频噪声

 


   如如果输出整流电容Cf有限,现实电容也有损耗,流进电容的电流ics是脉动的,使Vo脉动,形成纹波电压。假定D为占空比、L为储能电赣注C为滤波电容、fs为开关频率,则常用的4种根基类型变换器的输出纹波电压列于表2。


表2 高频纹波电压

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 从表2能够看出,通常高频的输出噪声,大幼与开关电源的频率和输出滤波器有关。电源的开关频率越高,电感和电容值越大,则输出纹波越幼。

    ②共模噪声。功率器件与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容,导线存在寄生电感,因而当电压作用于功率器件时,导致开关电源的输出端产生共模纹波嗓声。

    ③开关器件产生的噪声。随着开关的开启和关关的切换,电感L中的电流也是在输出电流的有效值高低颠簸。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。

    ④调节节造环路引起的纹波噪声。现实电路中节造环路要有功夫响应,不能做到线性调节,故输出电压瞬间会忽高忽低,甚至有可能造成电源系统的振荡,由此产生了纹波噪声。

    1.2 纹波电压风险

    在调试产品时会遇到以下这些景象:

    喇叭或听筒产生嗡嗡的杂音,这可能是音频领域内的类似正弦波的纹波信号推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音 ;

    调试信号放大系统时,能看到纹波电压对放大信号产生调造,形成杂波 ;

    若是电视图像的布景上有细横条向上或向下滚动,可能是由激励器中调造、校对等中频单元的供电电源纹波过大引起。

    以上景象都可能是纹波在拆台。纹波电压高了,有可能使电子产品产生谐波、调造等,滋扰正常的工作状态 ;导致电源效能降低 ;影响数字电路的逻辑关系 ;滋扰信号的正常传递等等。较强的纹波会产生浪涌电压或电流,有可能销毁用电设备。要使纹波足够幼,必须正确地测出纹波的大幼。
 
   2 电源纹波丈量

 

    电源纹波的丈量分两大类,一类是单独电源的鉴定,另一类是产品的调试丈量。

    在电源行业和电源用户对电源鉴按时,要求选择在(20±5)℃的室内进行,湿杜爪幼于80%,周围对丈量有影响的机械震荡及电磁滋扰应减到最幼,尺度仪器与被检电源应在以上的检定环境下搁置24h以上。对纯电源来讲,丈量电源纹波时,要求在加载时丈量,所加负载要使输出电流大于额定输出电流的80%以上。除选低噪声的纯阻性负载或电子负载表,还要选择对应的丈量尺度。分歧的尺度会有分歧的丈量了局。

    纹波电压能够用绝对量,也能够用相对量来暗示。纹波电压幅杜纂直流电压幅度之比称为电源的纹波系数,常用对数方式暗示。例如一个电源工作在稳压状态,其输出为10V/1A,测得纹波的有效值为10mV,这10mV就是纹波的绝对量。而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/10V=0.1%,即蹬宗千分之一。电源纹波的丈量能够用毫伏表或示波器。

    2.1 示波器丈量电源纹波

    目前常用示波器来丈量电源纹波,除了可丈量纹波的各类电压值,还能够看到波形。如使用数字示波器,把稳存储深度和滋扰,不然可能造成无法正确的丈量D芄挥梅抡帐静ㄆ,泰克公司出产的示波器有专门建设的电源纹波丈量软件。

    用示波器对电源纹波丈量的连线方式有以下几种:

    靠连法

    使用带有地线环的示波器探头,将探针直接接触正输出的管脚,地线环直接接触负输出的管脚,这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声。                                                                 

    直连法

   将地线环直接与输出管脚相连,利用探头接地环进行输出端测试

  绞连法                                                                                                                                                                                                                             

    输出管脚接双绞线后接电容,在电容两端用示波器丈量。

    在用以上步骤衔接丈量时要把稳:首先,凭据要求划定示波器丈量纹波的带宽上限,以预防拾取超出纹波带宽上限的高频噪声,通常带宽上限设为20MHz,为了滤除叠加的直流电压,选取AC耦合输入方式 ;其次,摘掉探针的“帽子”,直接用探头的屏蔽地和信号输出地衔接,减短长接地引线形成的天线 ;为减幼探头感应的影响,无数情况下都选取在探头接入点的地位并联幼电解电容和瓷片电容,并联电容能够削减表界滋扰信号进入示波器,也能够将一段短线绕在探针接地引线周围,并使之与电源地相衔接。这样做的益处是缩短露出在电源左近高强度电磁辐射中的探针长度,从而进一步削减高频拾取。此表,把示波器引线绕在铁芯上可减幼共模电流,由于这样会形成一个不影响差分电压丈量、但可降低由共模电流产生的丈量误差的共模电感,在隔离电源中,真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的,这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降,阐发为纹波。

    2.2 互换毫伏表丈量电源纹波

    用互换毫伏表来丈量纹波电压,是由于毫伏表只对互换电压响应,并且活络度高,可丈量很幼的互换电压,而纹波往往是比力幼的互换电压。毫伏表可直接读出纹波电压的有效值、峰值和均匀值。但了局与毫伏表的频响有关,在使用互换数字电压表时,要把稳其频响领域,分歧领域会有分歧的丈量了局。

    3 电源纹波抑造

    抑造纹波电压的通常做法是,加大滤波电路中电容容量,或选取LC滤波电路,或选取多级滤波电路 ;以线性电源包办开关电源 ;合理布线等。但若是能有针对的采取措施可能会起到事半功倍的成效。

    3.1 低频纹波的抑造

    对开关电源来说,可选取前级预稳压和增大DC/DC变换器关环增益来解除。低频纹波是输入整流纹波通过DC/DC变换器传递到输出的,它的大幼取决于整流滤波电容器的电容量和反馈调节回路的调节器机能。凭据开关电源的公式,输出纹波和输出电容值成反比,电感内电流颠簸大幼和电感值成反比。所以加大电容值和电感值能够减幼输出纹波。适当配置调节器的参数,增大互换反馈,也能够有效地降低纹波。

    3.2 高频纹波的抑造

    输出纹波从频谱上分重要由低频纹波、开关频率纹波和尖峰三个方面组成。而尖峰是纹波的重要部门,它的大幼根基决定了纹波的大幼。由于高频变压器低级、次级存在漏感,开关管在导通和截止的瞬间,漏感中的电流无法开释便产生了尖峰。整流尖峰的产生原因是高频整流管的PN滚存在结电容,整流管在导通和截止的瞬间,结电容的充放电也会产生尖峰。从示波器中可看到开关电源输出尖峰的频率约50MHz~100MHz,远高于滤波电感器的截止频率,不能用通例的电感滤波方式来解决。现实工作中只能采取减幼变压器漏感和选取软复原个性的高频整流管 ;选取高频滤波器 ;选取多级滤波 ;提高开关电源工作频率。

    3.3 共模纹波的抑造

    对于共模纹波嗓声的常用步骤:

    (1)减幼节造功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容,并在输出端加共模抑造电感及电容 ;

    (2)选取EMI滤波器 ;

    (3)降低开关毛刺幅度。

    3.4 节造环路的抑造

    节造环路参数不适当会引起纹波,当输出端颠簸时通过反馈网络进入调节器回路,可能导致调节器的自激振荡,引起冈蹲闫波。此纹波电压通常没有固定的频率。抑造步骤有:

    (1)调节器输出增长对地的赔偿网络,调节器的赔偿可抑造调节器自激引起的纹波增大 ;

    (2)合理选择环路的放大倍数。放大倍数过大会引起调节器的振荡或自激,使输出纹波增长,放大倍数过幼使输出电压不变性变差,所以调节器的放大倍数的参数要合理拔取,调试中应凭据负载情况进行调节。

    (3)低噪声低压差线性调节器(LDO)。电源输出端接LDO滤波,这是削减纹波和噪声最有效的法子,输出电压恒定,不必要扭转原有的反馈系统,但成本很高,功耗较大。

   3.5 PCB设计

    开关电源的PCB设计极度沉要,PCB散布参数会导致调整误差或滤波效能变差,严沉时甚至可能导致自激(通常在特定的负载下产生)。准则是取样回路和滤波回路要尽量切近开关电源IC,PCB走线不成太长、太细。

   4 结 语

    电源险些对于每种电子产品都必不成少,电源的机能对一个大型系统产生沉要的影响。要确保高靠得住性、不变性、兼容性、安全性,丈量是唯一的法子。通过有效的丈量和分析,能力保障得到梦想的产品。

 

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