開(kāi)關(guān)電源的紋波和噪聲
開(kāi)關(guān)電源(包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊)與線(xiàn)性電源相比較,最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉換效率高,一般可達80%~85%,高的可達90%~97%;其次,開(kāi)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,因此應用范圍越來(lái)越廣。但開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開(kāi)關(guān)管工作于高頻開(kāi)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(xiàn)性電源的調整管工作于線(xiàn)性狀態(tài),無(wú)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(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標準及減小紋波和噪聲的措施。
紋波和噪聲產(chǎn)生的原因
開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開(kāi)、關(guān)過(guò)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(guò)程,從而造成輸出電壓的波動(dòng),波動(dòng)頻率與開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)輻射進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源或者通過(guò)電源線(xiàn)輸入開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)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(kāi)關(guān)導通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成,也稱(chēng)為開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開(kāi)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(kāi)關(guān)電源的拓撲、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設計有關(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(kāi)關(guān)管頻率相同,而噪聲的頻率是開(kāi)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
紋波和噪聲的測量方法
紋波和噪聲電壓是開(kāi)關(guān)電源的主要性能參數之一,因此如何精準測量是一個(gè)十分重要問(wèn)題。目前測量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來(lái)測量的方法,它能精準地測出紋波和噪聲電壓值。
由于開(kāi)關(guān)電源的品種繁多(有不同的拓撲、工作頻率、輸出功率、不同的技術(shù)要求等),但是各生產(chǎn)廠(chǎng)家都采用示波器測量法,僅測量裝置上不完全相同,因此各廠(chǎng)對不同開(kāi)關(guān)電源的測量都有自己的標準,即企業(yè)標準。
用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開(kāi)關(guān)電源、負載、示波器及測量連線(xiàn)組成。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。
圖2 示波器測量框圖
從圖2來(lái)看,似乎與其他測波形電路沒(méi)有什么區別,但實(shí)際上要求不同。測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;
● 要防止負載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾;
● 對小型開(kāi)關(guān)型模塊電源,由于內部無(wú)輸出電容或輸出電容較小,所以在測量時(shí)要加上適當的輸出電容。
為滿(mǎn)足第1條要求,測量連線(xiàn)應盡量短,并采用雙絞線(xiàn)(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(zhuān)用示波器探頭;并且測量點(diǎn)應在電源輸出端上,若測量點(diǎn)在負載上則會(huì )造成極大的測量誤差。為滿(mǎn)足第2點(diǎn),負載應采用阻性假負載。
經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生,用戶(hù)買(mǎi)回的開(kāi)關(guān)電源或模塊電源,在測量紋波和噪聲這一性能指標時(shí),發(fā)現與產(chǎn)品技術(shù)規格上的指標不符,大大地超過(guò)技術(shù)規格上的性能指標要求,這往往是用戶(hù)的測量裝置不合適,測量的方法(測量點(diǎn)的選擇)不合適或采用通用的測量探頭所致。
幾種測量裝置
1雙絞線(xiàn)測量裝置
雙絞線(xiàn)測量裝置如圖3所示。采用300mm(12英寸)長(cháng)、#16AWG線(xiàn)規組成的雙絞線(xiàn)與被測開(kāi)關(guān)電源的+OUT及-OUT連接,在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。在雙絞線(xiàn)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)標準為20MHz)的示波器。在測量點(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(xiàn)測量裝置
這里要注意的是,雙絞線(xiàn)接地線(xiàn)的末端要盡量的短,夾在探頭的地線(xiàn)環(huán)上。
2 平行線(xiàn)測量裝置
平行線(xiàn)測量裝置如圖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(xiàn)測量裝置
3 專(zhuān)用示波器探頭
圖5所示為一種專(zhuān)用示波器探頭直接與波測電源靠接。專(zhuān)用示波器探頭上有個(gè)地線(xiàn)環(huán),其探頭的尖端接觸電源輸出正極,地線(xiàn)環(huán)接觸電源的負極(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,因為通用示波器探頭的地線(xiàn)不屏蔽且較長(cháng),容易撿拾外界電磁場(chǎng)的干擾,造成較大的噪聲輸出,虛線(xiàn)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 同軸電纜測量裝置
這里介紹兩種同軸電纜測量裝置。圖7是在被測電源的輸出端接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 同軸電纜測量裝置1
圖8 同軸電纜測量裝置2
圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接
紋波和噪聲的測量標準
以上介紹了多種測量裝置,同一個(gè)被測電源若采用不同的測量裝置,其測量的結果是不相同的,若能采用一樣的標準測量裝置來(lái)測,則測量的結果才有可比性。近年來(lái)出臺了幾個(gè)測量紋波和噪聲的標準,本文將介紹一種基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置,如圖10所示。
圖10 基于JEITA-RC9131A測量標準的測量裝置
該標準規定在被測電源輸出正、負端小于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)電容的連接端接負載及不超過(guò)1.5m長(cháng)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(xiàn)應盡可能地短,以防止撿拾輻射的噪聲。另外,連接負載的線(xiàn)若越長(cháng),則測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(xiàn)太長(cháng),則紋波和噪聲的測量不可能精確。
另外,測試應在溫室條件下,被測電源應輸入正常的電壓,輸出額定電壓及額定負載電流。
不正確與正確測量的比較
1探頭的選擇
圖11是用AAT1121芯片組成的降壓式DC/DC轉換器電路及測量正確和不正確的波形圖。若采用普通的示波器探頭來(lái)測量(如圖12所示),由于地線(xiàn)與探頭組成的回路面積太大(由剖面線(xiàn)組成的面積),它相當于一根“天線(xiàn)”,極易受到EMI的干擾,其輸出的紋波和噪聲電壓相當大(見(jiàn)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(zhuān)用的測量探頭(如圖13所示),它的地線(xiàn)極短,探頭與地線(xiàn)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(xiàn)所示。這例子說(shuō)明一般通用示波器的探頭是不能用的。
圖11 AAT1121電路測量波形
圖12 用普通示波器探頭測得的波形
圖13 用專(zhuān)用測量探頭測得的波
2 探頭與測試點(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(zhuān)用探頭靠測法,排除外界EMI噪聲干擾,探頭接觸良好時(shí),測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測試波形(接觸良好)
圖15 電源模塊IF0505RN-1W測試波形(接觸不良)
這里順便再用普通示波器探頭測試一下,其測試結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測試波形(普通探頭)
減小紋波和噪聲電壓的措施
開(kāi)關(guān)電源除開(kāi)關(guān)噪聲外,在A(yíng)C/DC轉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(kāi)關(guān)電源(AC/DC轉換器)在電路增加了功率因數校正(PFC)電路,使輸出電流近似正弦波,降低高次諧波,功率因數提高到0.95左右,減小了對電網(wǎng)的污染。電路圖如圖18所示。
圖17 開(kāi)關(guān)電源整流波形
圖18 開(kāi)關(guān)電源PFC電路
開(kāi)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撲,各部分電路的設計及PCB設計有關(guān)。例如,采用多相輸出結構,可有效地降低紋波輸出,F在的開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高;低的是幾十kHz,一般是幾百kHz,而高的可達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(wú)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。為減少從電源線(xiàn)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(chēng)為電源濾波器)。
圖19 開(kāi)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(cháng))×4.3mm(寬)×1.8mm(高),其型號為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(wú)法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作,再增加電容量也無(wú)效,因為超過(guò)10kHz時(shí),它已成電感特性了。
某些開(kāi)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,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)品系統的頻率同步
為減小輸出噪聲,電源的開(kāi)關(guān)頻率應與系統中的頻率同步,即開(kāi)關(guān)電源采用外同步輸入系統的頻率,使開(kāi)關(guān)的頻率與系統的頻率相同。
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將其適當遠離,減少其相互影響的干擾。
例如,用兩個(gè)K7805-500開(kāi)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,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,則在設計PCB時(shí)要采取相似的措施以減少干擾電路對開(kāi)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(guò)大而造起動(dòng)問(wèn)題,LC的諧振頻率必須與開(kāi)關(guān)頻率要錯開(kāi)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(kāi)關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲,以滿(mǎn)足對噪聲特別有要求的電路需要(見(jiàn)圖22),輸出噪聲可達μV級。
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(kāi)關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標準電壓了,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(mǎn)載時(shí)效率可達99%。
輸出紋波衰減器可在1~500kHz范圍內減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上,并且能改善動(dòng)態(tài)響應及減小輸出電容。