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电源设计小贴士 6:精确测量电源纹波

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airwill|  楼主 | 2020-5-16 07:53 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
作者: Robert Kollman,德州仪器 (TI) www.ti.com.cn
精确地测量电源纹波本身就是一门艺术。在图 1 所示的示例中,一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针;他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近;他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中,存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形,其中包括耦合自电源变压器的磁场,耦合自开关节点的电场,以及由变压器互绕电容产生的共模电流。
图 1 错误的纹波测量得到的较差的测量结果
利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。首先,通常使用带宽限制来规定纹波,以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次,通过取掉探针“帽”,并构成一个拾波器(如图 2 所示),我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围,并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度,从而进一步减少拾波。
最后,在隔离电源中,会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降,从而表现为纹波。要防止这一问题的出现,我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外,将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器,其在不影响差分电压测量的同时,还减少了共模电流引起的测量误差。图 2 显示了该完全相同电路的纹波电压,其使用了改进的测量方法。这样,高频峰值就被真正地消除了。
图 2 四个轻微的改动便极大地改善了测量结果
实际上,集成到系统中以后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中,抑或只有蚀刻存在于 PWB 上。另外,在芯片周围总是会存在额外的旁路电容,它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器,进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下,电流短时流经 15 nH 电感和 10 μF 旁路电容的一英寸导体时,该滤波器的截止频率为 400 kHz。这种情况下,就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下,该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下,从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。

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沙发
xyz549040622| | 2020-5-26 18:51 | 只看该作者
支持下,谢谢分享~

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板凳
airwill|  楼主 | 2020-5-26 21:45 | 只看该作者
1 纹波(ripple)的定义
纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象,因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的,这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份,这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂,它的形态一般为频率高于工频(中国是50Hz)的类似正弦波的谐波,另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合,对纹波的要求各不一样。
对于电容器来说,无论是哪一种纹波,只要不是太大,一般对电容器质量不会造成影响。
而对工控机电源或音响设备中所使用的电源,由于宽度很窄的脉冲没有足够的能量来推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。因此对于这种窄脉冲的要求可以放宽。
而对于音频范围内的类似正弦波的纹波信号,虽然其幅度不是太高,但其能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。因此对这种形态的纹波应有一定的要求,而对于用于一些控制的场合,由于窄脉冲达到一定的高度会干扰数字或逻辑控制部件,使设备运行的可靠性降低,因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制,而对类似正弦波的纹波,一般由于其幅度较低,对控制部件的干扰不大。
纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示,可以用绝对量,也可以用相对量来表示。例如一个电源工作在稳压状态,其输出为100V/5A,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/100V=0.01%,即等于万分之一。
2 纹波(ripple)的定义 补充
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,即便如此,就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。事实上,即便是最好的基准电压源器件,其输出电压也是有波纹的。
要体验,可以用示波器来看,就会看到电压上下轻微波动,就像水纹一样,所以叫做纹波。
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。
纹波电压会影响系统的工作,带来噪声。所以电源要有足够的滤波措施, 以将纹波限制在一定的幅度以内。
3 纹波(ripple)与谐波的比较谐波与纹波的比较
谐波简单地说,就是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时,会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。
纹波是指在直流电压或电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量。
它们虽然在概念上不是一回事,但它们之间有联系。如电源上附加的纹波在用电器上很容易产生各频率的谐波;电源中各频率谐波的存在无疑导致电源中纹波成分的增加。

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地板
gygp| | 2020-6-3 13:54 | 只看该作者
波测试在电源质量检测中十分重要

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5
chenci2013| | 2020-6-3 13:54 | 只看该作者
可以先用示波器将整个波形捕获  

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6
biechedan| | 2020-6-3 13:55 | 只看该作者
容易在用电器上产生谐波吧  

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7
wangdezhi| | 2020-6-3 13:55 | 只看该作者
电源纹波指标是一项很重要的参数  

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8
isseed| | 2020-6-3 13:55 | 只看该作者
         

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9
xietingfeng| | 2020-6-3 13:55 | 只看该作者
电源纹波是电源性能最直观的表现   

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10
suzhanhua| | 2020-6-3 13:55 | 只看该作者
,不可避免地在直流稳压量中多少带有一些交流成分  

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11
suzhanhua| | 2020-6-3 13:56 | 只看该作者
探头要选择合适的档位   

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12
mituzu| | 2020-6-3 13:56 | 只看该作者
几乎所有山寨电源在满载时纹波都会超标

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13
hellosdc| | 2020-6-3 13:56 | 只看该作者
可以用交流毫伏表来测量纹波电压

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14
uiint| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
通万用表 有这个功能?   

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15
wangdezhi| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
干净的电源是数字电路稳定工作的前提,也是模拟器件的各项参数的重要保障。

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16
biechedan| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
谐波会产生更多的危害   

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17
isseed| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
谢谢楼主分享的资料了。              

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18
chenci2013| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
将关心的纹波部分放大来观察和测量  

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19
xietingfeng| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
直流稳压电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的  

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20
gygp| | 2020-6-3 13:57 | 只看该作者
直流稳压电源一般是由交流电源经整流、滤波、稳压等环节而形成的,这就不可避免地在直流电压中多少带有一些交流

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