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摘要：首先讨论了开关电源产生投波和噪声的原因，论述了开关电源的纹波和噪声的测量方法。然后对S-1-Sq、琦率直流开关电源的纹波和噪声进行了测量，对测量结果进行了分析。提出了减小开关电源的绽波和噪声电压的主要措施。
关键词：纹波电压 噪声电压 测量装置 高频示波器
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)02(b)-0070-01
在发生世界性能源危机的年代，开关电源引起了人们的广泛关注。线性电源工作于工频，开关电源的工作频率为几十上百kHZ，利用开关电源可以大幅度节约能源，它是电源技术发展史上的一次革命。开关电源的优点：(1)功耗小效率高；(2)体积小重量轻；(3)稳压范围宽。开关电源是现代电子电器和电子设备(如电视机、VCD、个人计算机、测试仪器、生物医学仪器等)的心脏和动力。掌握开关电源的纹波与噪声的相关内容，减小开关电源的纹波和噪声，能够进一步提高电源的转换效率。
1开关电源的纹波与噪声产生的原因
开关电源的纹波是附着于直流电平之上的包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，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。纹波用示波器可以看到，在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，所以被称为纹波。纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分。另外，用电池供电也因负载的波动而产生波纹。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值。开关电源的纹波主要来源于五个方面：低频纹波、高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节控制环路引起的纹波噪声等。开关电源的噪声产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰(EMI)，它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。利用示波器可以看到纹波和噪声的波形。
2开关电源的纹波与噪声的测量方法
纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹渡。目前测量纹渡和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图1所示。它由被测开关电源、负载、示波器
及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。测纹波和噪声电压的要求如下：(1)要防止环境的电磁场干扰(EMI)侵入，(2)要防止负载电路中可能产生的EMI干扰，(3)对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以测量时要加上适当的输出电容。因此，测量连线应尽量短，并采用双绞线(消除共模噪声干扰)或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。负载应采用阻性假负载。3S-10-5小功率直流开关电源的纹波和噪声的研究
利用上面介绍的测量方法对一款实际的开关电源进行纹波与噪声测量。该测量方法是在被测电源输出正。负端小于150mm处并联两个电容C2及C3，C2为22uF电解电容，C3为0.47uF薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5m长的50f2同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50f2的电阻R和串接一个4700pF的电容cl后接入示波器，示波器的带宽为100MHz。同轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。另外，测试应在温室条件下，被测电源应输入正常的电压，输出额定电压及额定负载电流。被测的S-10-5小功率直流开关电源输出为5V/2A，采用功率大干10W的大电阻作为负载。从示波器上观察，可以读出纹波电压为200mVp-p，噪声电压为1500mVp-p。开关电源的纹波和噪声能使客户的MCU死机，能使客户主板上的电容爆裂等等。但在同时大家认为纹波是可以后天整改的，其实不然。我们应该要象对待电磁兼容一样认真对待纹波和噪声。特别是用在资讯类产品，就更要注意纹波和噪声了。
4减小开关cain,的纹波和噪声的主要措施
开关电源的输出纹波和噪声电压的大小与电源各部分电路的设计及PCB设计有关。开关电源的开关频率越来越高，因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。其它减少开关电源的纹波与噪声的方法有下面几种：
(1)在电源输入端加EMI滤波器。采用金属外壳做屏蔽可以减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器(EMI滤波器也称为电源滤波器)。(2)在输出端采用高频性能好、ESR低的电容。采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。(3)采用频率同步方法。为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同。(4)避免多个模块电源之间的相互干扰。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。(5)增加LC滤渡器。为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器。
5结语
电源几乎对于每种电子产品都必不可少。通过对开关电源的纹波和噪声的讨论，使我们掌握了开关电源产生纹波和噪声的原因，测量方法与测量装置，及减小纹波和噪声的措施。随着电子技术的发展，种类繁多的开关电源应运而生，逐渐取代传统的串联线性稳压电源。
参考文献
[1]姚晓平.电源纹波的产生、测量和抑制[J].电源世界，2009.
[2]周伟成.3kW LLc谐振式模块化通信电源[D].浙江大学，2007.
[3]王宁斌.Boost变换器的控制研究与实现[D].西安理工大学，2008.
关键词：纹波电压 噪声电压 测量装置 高频示波器
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2012)02(b)-0070-01
在发生世界性能源危机的年代，开关电源引起了人们的广泛关注。线性电源工作于工频，开关电源的工作频率为几十上百kHZ，利用开关电源可以大幅度节约能源，它是电源技术发展史上的一次革命。开关电源的优点：(1)功耗小效率高；(2)体积小重量轻；(3)稳压范围宽。开关电源是现代电子电器和电子设备(如电视机、VCD、个人计算机、测试仪器、生物医学仪器等)的心脏和动力。掌握开关电源的纹波与噪声的相关内容，减小开关电源的纹波和噪声，能够进一步提高电源的转换效率。
1开关电源的纹波与噪声产生的原因
开关电源的纹波是附着于直流电平之上的包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，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。纹波用示波器可以看到，在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，所以被称为纹波。纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会有剩余的交流成分。另外，用电池供电也因负载的波动而产生波纹。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值。开关电源的纹波主要来源于五个方面：低频纹波、高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节控制环路引起的纹波噪声等。开关电源的噪声产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰(EMI)，它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。利用示波器可以看到纹波和噪声的波形。
2开关电源的纹波与噪声的测量方法
纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹渡。目前测量纹渡和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图1所示。它由被测开关电源、负载、示波器
及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。测纹波和噪声电压的要求如下：(1)要防止环境的电磁场干扰(EMI)侵入，(2)要防止负载电路中可能产生的EMI干扰，(3)对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以测量时要加上适当的输出电容。因此，测量连线应尽量短，并采用双绞线(消除共模噪声干扰)或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。负载应采用阻性假负载。3S-10-5小功率直流开关电源的纹波和噪声的研究
利用上面介绍的测量方法对一款实际的开关电源进行纹波与噪声测量。该测量方法是在被测电源输出正。负端小于150mm处并联两个电容C2及C3，C2为22uF电解电容，C3为0.47uF薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5m长的50f2同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50f2的电阻R和串接一个4700pF的电容cl后接入示波器，示波器的带宽为100MHz。同轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。另外，测试应在温室条件下，被测电源应输入正常的电压，输出额定电压及额定负载电流。被测的S-10-5小功率直流开关电源输出为5V/2A，采用功率大干10W的大电阻作为负载。从示波器上观察，可以读出纹波电压为200mVp-p，噪声电压为1500mVp-p。开关电源的纹波和噪声能使客户的MCU死机，能使客户主板上的电容爆裂等等。但在同时大家认为纹波是可以后天整改的，其实不然。我们应该要象对待电磁兼容一样认真对待纹波和噪声。特别是用在资讯类产品，就更要注意纹波和噪声了。
4减小开关cain,的纹波和噪声的主要措施
开关电源的输出纹波和噪声电压的大小与电源各部分电路的设计及PCB设计有关。开关电源的开关频率越来越高，因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。其它减少开关电源的纹波与噪声的方法有下面几种：
(1)在电源输入端加EMI滤波器。采用金属外壳做屏蔽可以减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器(EMI滤波器也称为电源滤波器)。(2)在输出端采用高频性能好、ESR低的电容。采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。(3)采用频率同步方法。为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率相同。(4)避免多个模块电源之间的相互干扰。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。(5)增加LC滤渡器。为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器。
5结语
电源几乎对于每种电子产品都必不可少。通过对开关电源的纹波和噪声的讨论，使我们掌握了开关电源产生纹波和噪声的原因，测量方法与测量装置，及减小纹波和噪声的措施。随着电子技术的发展，种类繁多的开关电源应运而生，逐渐取代传统的串联线性稳压电源。
参考文献
[1]姚晓平.电源纹波的产生、测量和抑制[J].电源世界，2009.
[2]周伟成.3kW LLc谐振式模块化通信电源[D].浙江大学，2007.
[3]王宁斌.Boost变换器的控制研究与实现[D].西安理工大学，2008.