电源纹波及纹波系数

    电源的主要作用是为电子产品提供电能，但供电的同时不可避免地会引入纹波、噪声等，使电子系统甚至整个产品的稳定性和可靠度降低。

    电压纹波能极大地影响到电源的各个电路，如A/D变换电路、运算放大电路、整流滤波电路等。通常的应用中有以下危害：

    产生不期望出现的谐波而造成过压或过流引发事故;增加附加损耗，降低用电设备的效率和利用率;

    使设备运行不正常、加速老化、缩短寿命;使继电保护、自动装置、计算机系统等设备运转不正常或不能正常动作;

    使测量和计量仪器仪表出现偏差;干扰通信系统，降低信号传输质量，甚至损坏通信设备。

    因此，在设计电子产品时，需要准确地测量纹波，并将纹波抑制在一定范围内。

    1 电源纹波及纹波系数

    严格来讲，稳压电源包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分。由于DC-DC也可看作是一种稳压电源，所以把整流电路、滤波电路和稳压电路看成是稳压电源的必要三部分[1]。

    整流电路是利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电，脉动直流电不平滑，含有大量交流电成分。

    滤波电路是利用储能元件把脉动直流电转换成比较平坦的直流电，由于滤波电路性能各异，虽可以滤去大部分的交流电成分，但不能完全滤除。

    整流滤波后的稳压电路是利用电路的调整作用使输出电压稳定，使交流电成分降低到小。这种伴随稳定电压输出的不能完全滤除的交流电成分叫纹波电压。

    为了表征直流稳压电源滤波的性能，引入纹波系数的概念[2-3]。定义纹波系数ψ为纹波电压有效值Vr与直流输出电压Vo的百分比值，即：

    纹波系数是评价直流电源稳定纯净输出的重要指标。根据上式可知，求纹波系数需测量纹波电压。

    2 电源纹波的测量

    准确测量电源纹波一般需要两种仪器，即电子负载(Electronic Load)和数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。

    电子负载方便调整电流，一般设定在恒阻模式(CR);数字存储示波器能直接捕获整个纹波波形，存储放大并读出纹波数值。将示波器读值代入公式，可得到纹波系数。

    测量时，必须要注意以下两点(这两点对测量结果的准确性尤为重要)：

    (1) 数字存储示波器的探头地线必须拔掉，改用探头组件中的接地弹簧针。可以防止出现地环路耦合进EMI噪声，使测量结果不准确。

    探头地线过长且环路面积过大，形成了接收天线、高频杂波或EMI噪声会耦合进所测信号。

    (2) 数字存储示波器本身需要调整设置。

    数字存储示波器需有良好的接地，进一步滤去从电源端附加进来的杂波;使用数字存储示波器的交流耦合，阻挡直流，使纹波测试更为直观准确;

    一般的纹波测试都要求频率限制在20MHz以下，因此数字存储示波器应打开20MHz带宽限制，隔离高频噪声。

    3 抑制电源纹波的方法

    抑制稳压电源输出电压的纹波，一般采取的方法有以下四种：RLC滤波法、共模滤波法、铁氧体磁环滤波法以及三种方法的组合。

    通过实验验证说明抑制DC-DC电源纹波的滤波电路。验证实验中选取100W DC-DC电源，48V输入，5V输出，型号为Meanwell的SD-100C-5。

    数字存储示波器选择GWINSTEK的GDS-1072B，带宽为70MHz，采样率为1GSa/s，每通道存储深度为10M。

    电子负载选择GWINSTEK的PEL-3021，电压范围为1.5V~150V，电流范围为0~35A，功率为175W。

    据此计算可知，电路中电流为20A。图3为电源纹波测试的连接框图。

    为了使抑制电源纹波的效果更直观明显，先将SD-100C-5的滤波电路短接，测量其输出电压的纹波。从中可以得到，电源纹波大致为85.6mVpp，有效值为48.2mVrms。