電源紋波及紋波系數---上海千實

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電源的主要作用是為電子產品提供電能，但供電的同時不可避免地會引入紋波、噪聲等，使電子系統甚至整個產品的穩定性和可靠度降低。

電壓紋波能極大地影響到電源的各個電路，如A/D變換電路、運算放大電路、整流濾波電路等。通常的應用中有以下危害：

產生不期望出現的諧波而造成過壓或過流引發事故;增加附加損耗，降低用電設備的效率和利用率;

使設備運行不正常、加速老化、縮短壽命;使繼電保護、自動裝置、計算機系統等設備運轉不正?；虿荒苷幼?

使測量和計量儀器儀表出現偏差;干擾通信系統，降低信號傳輸質量，甚至損壞通信設備。

因此，在設計電子產品時，需要準確地測量紋波，并將紋波抑制在一定范圍內。

1 電源紋波及紋波系數

嚴格來講，穩壓電源包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分。由于DC-DC也可看作是一種穩壓電源，所以把整流電路、濾波電路和穩壓電路看成是穩壓電源的必要三部分[1]。

整流電路是利用單向導電器件將交流電轉換成脈動直流電，脈動直流電不平滑，含有大量交流電成分。

濾波電路是利用儲能元件把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電，由于濾波電路性能各異，雖可以濾去大部分的交流電成分，但不能完全濾除。

整流濾波后的穩壓電路是利用電路的調整作用使輸出電壓穩定，使交流電成分降低到小。這種伴隨穩定電壓輸出的不能完全濾除的交流電成分叫紋波電壓。

為了表征直流穩壓電源濾波的性能，引入紋波系數的概念[2-3]。定義紋波系數ψ為紋波電壓有效值Vr與直流輸出電壓Vo的百分比值，即：

紋波系數是評價直流電源穩定純凈輸出的重要指標。根據上式可知，求紋波系數需測量紋波電壓。

2 電源紋波的測量

準確測量電源紋波一般需要兩種儀器，即電子負載(Electronic Load)和數字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。

電子負載方便調整電流，一般設定在恒阻模式(CR);數字存儲示波器能直接捕獲整個紋波波形，存儲放大并讀出紋波數值。將示波器讀值代入公式，可得到紋波系數。

測量時，必須要注意以下兩點(這兩點對測量結果的準確性尤為重要)：

(1) 數字存儲示波器的探頭地線必須拔掉，改用探頭組件中的接地彈簧針?？梢苑乐钩霈F地環路耦合進EMI噪聲，使測量結果不準確。

探頭地線過長且環路面積過大，形成了接收天線、高頻雜波或EMI噪聲會耦合進所測信號。

(2) 數字存儲示波器本身需要調整設置。

數字存儲示波器需有良好的接地，進一步濾去從電源端附加進來的雜波;使用數字存儲示波器的交流耦合，阻擋直流，使紋波測試更為直觀準確;

一般的紋波測試都要求頻率限制在20MHz以下，因此數字存儲示波器應打開20MHz帶寬限制，隔離高頻噪聲。

3 抑制電源紋波的方法

抑制穩壓電源輸出電壓的紋波，一般采取的方法有以下四種：RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環濾波法以及三種方法的組合。

通過實驗驗證說明抑制DC-DC電源紋波的濾波電路。驗證實驗中選取100W DC-DC電源，48V輸入，5V輸出，型號為Meanwell的SD-100C-5。

數字存儲示波器選擇GWINSTEK的GDS-1072B，帶寬為70MHz，采樣率為1GSa/s，每通道存儲深度為10M。

電子負載選擇GWINSTEK的PEL-3021，電壓范圍為1.5V~150V，電流范圍為0~35A，功率為175W。

據此計算可知，電路中電流為20A。圖3為電源紋波測試的連接框圖。

為了使抑制電源紋波的效果更直觀明顯，先將SD-100C-5的濾波電路短接，測量其輸出電壓的紋波。從中可以得到，電源紋波大致為85.6mVpp，有效值為48.2mVrms。