基于示波器的電源紋波的測試分析

一、什么叫紋波？

紋波（ripple）的定義是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。

它主要有以下害處：

1.1．容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會產(chǎn)生更多的危害；

1.2．降低了電源的效率；

1.3．較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；

1.4．會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；

1.5．會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作

二、紋波、紋波系數(shù)的表示方法

可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對量、相對量來表示；

單位通常為：mV

一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為12V5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量，即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。

三、紋波的測試方法

3.1．以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK（也有測有效值的），去除示波器控頭上的夾子與地線（因為這個本身的夾子與地線會形成環(huán)路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進行測試；如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。

四、開關(guān)電源紋波的主要分類

開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面：

4.1.輸入低頻紋波;

4.2.高頻紋波;

4.3.寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲;

4.4.功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲;

4.5.閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

五、電源紋波測試

紋波是疊加在直流信號上的交流干擾信號，是電源測試中的一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是作特殊用途的電源，如激光器電源，紋波則是其致命要害之一。所以，電源紋波的測試就顯得極為重要。

電源紋波的測量方法大致分為兩種：一種是電壓信號測量法；另一鐘是電流信號測量法。

一般對于恒壓源或紋波性能要求不大的恒流源，都可以用電壓信號測量法。而對于紋波性能要求高的恒流源則最好用電流信號測量法。

電壓信號測量紋波是指，用示波器測量疊加在直流電壓信號上的交流紋波電壓信號。對于恒壓源，測試可以直接用電壓探頭測量輸出到負(fù)載上的電壓信號。對于恒流源的測試，則一般是通過使用電壓探頭，測量采樣電阻兩端的電壓波形。整個測試過程中，示波器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。

所用的儀器是：配有電壓測量探頭的TDS1012B示波器。

測量之前需要進行如下設(shè)置。

1.通道設(shè)置：

耦合：即通道耦合方式的選擇。紋波是疊加在直流信號上的交流信號，所以，我們要測試紋波信號就可以去掉直流信號，直接測量所疊加的交流信號就好。

寬帶限制：關(guān)

探頭：首先選用電壓探頭的方式。然后選擇探頭的衰減比例。必須與實際所用探頭的衰減比例保持一致，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用電壓探頭放在×10檔，則此時，這里的探頭的選項也必須設(shè)置為×10檔。

2.觸發(fā)設(shè)置：

類型：邊沿

信源：實際所選擇的通道，如，準(zhǔn)備用CH1通道進行測試，則此處就應(yīng)該選擇為CH1。

斜率：上升。

觸發(fā)方式：如果是在實時地觀察紋波信號，則選擇‘自動’觸發(fā)。示波器會自動跟隨實際所測信號的變化，并顯示。這個時候，你也可通過設(shè)置測量按鈕，實時地顯示你所需要的測量的數(shù)值。但是，如果你想要捕捉某次測量時的信號波形，則需要將觸發(fā)方式設(shè)置為‘正常’觸發(fā)。此時，還需要設(shè)置觸發(fā)電平的大小。一般當(dāng)你知道你所測量的信號峰值時，將觸發(fā)電平設(shè)置為所測信號峰值的1/3處。如果不知道，則觸發(fā)電平可以設(shè)置的稍微小一些。

耦合：直流或交流…，一般用交流耦合。

3.采樣長度（秒/格）：

采樣長度的設(shè)置決定能否采樣到所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過大時，就會漏掉實際信號中的高頻成分；當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過小時，就只能看到所測實際信號的局部，同樣無法得到真實的實際信號。所以，在實際測量時，需來回旋轉(zhuǎn)按鈕，仔細(xì)觀察，直到所顯示波形是真實的完整的波形。

4.采樣方式：

可根據(jù)實際需要設(shè)定。如，要求測量紋波的P-P值，則最好選擇峰值測量法。采樣次數(shù)也可根據(jù)實際需要設(shè)定，這與采樣頻率及采樣長度有關(guān)。

5.測量：

通過選擇對應(yīng)通道的峰值測量，示波器就可以幫你把所需要的數(shù)據(jù)及時顯示出來。同時也可以選擇對應(yīng)通道的頻率、最大值、均方根值等。

通過對示波器進行合理設(shè)置和規(guī)范的操作，一定可以得到所需的紋波信號。但是，在測量過程中一定要注意防止其它信號對于示波器探頭自身的干擾，以免所測量的信號不夠真實。

通過電流信號測量法測量紋波值是指，測量疊加在直流電流信號上的交流紋波電流信號。對于紋波指標(biāo)要求比較高的恒流源，即要求紋波比較小的恒流源，采用電流信號直接測量法可以得到更加真實紋波信號。與電壓測量法不同的是，這里還用到了電流探頭。比如，繼續(xù)用上述的示波器，再加一個電流放大器和一個電流探頭。此時，只需用電流探頭夾住輸出到負(fù)載的電流信號，就可以進行電流測量法來測量輸出電流的紋波信號了。與電壓測量法一樣，整個測試過程中，示波器及電流放大器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。

其實，用這種方法測量時，示波器的基本設(shè)置及用法與上述相同。不同的是，通道設(shè)置中探頭的設(shè)置有所不同。在這里，需要選則電流探頭的方式。然后，選擇探頭的比例，必須與放大器所設(shè)置的這個比例相同，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用放大器的這個比例設(shè)置為5A/V，則此時示波器的這一項也需設(shè)置為5A/V。至于電流放大器的耦合方式，當(dāng)示波器的通道耦合已經(jīng)選擇為交流耦合時，則這里選擇交流或直流都可以。

需要注意的是，用這種方法時，需先打開示波器，然后再打開電流放大器。且，記得在使用前對電流探頭先消磁。

另外，測量電源紋波本身有一定技巧性。圖1給出了一個不當(dāng)使用示波器測量電源紋波的實例。在這個例子中出現(xiàn)了幾個錯誤，首先是使用了接地線很長的示波器探針；其二是讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關(guān)元件；最后是允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。其結(jié)果帶來的問題是在測得的紋波波形中攜帶了拾取的高頻成分。

在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形，其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關(guān)節(jié)點的電場耦合、以及由變壓器交繞（interwinding）電容產(chǎn)生的共模電流。

圖1：不當(dāng)?shù)募y波測量得到糟糕的結(jié)果。

采用正確的測量技術(shù)可切實改善紋波測量的結(jié)果。首先，通常會規(guī)定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應(yīng)該給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次，可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。如圖2所示，我們把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強度電磁輻射中的探針長度，從而進一步減少高頻拾取。

最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。要抑制這個紋波，需要在電源設(shè)計中仔細(xì)考慮共模濾波問題。

此外，把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測量誤差的共模電感。圖2顯示了采用改進測量技術(shù)對同一電路得到的紋波電壓測量結(jié)果?？梢钥吹剑哳l尖刺已幾乎消除。

圖2：四種簡單改進極大地改善了測量結(jié)果。

事實上，當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后，電源紋波性能甚至?xí)?。在電源和系統(tǒng)其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的，而在芯片附近總會有作為電源負(fù)載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。

舉一個極端的例子，由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測試過程中設(shè)法利用它。