基于示波器的电源纹波的测试分析

一、什么叫纹波？

　　纹波（ripple）的定义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。

　　它主要有以下害处：

　　1.1．容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害；

　　1.2．降低了电源的效率；

　　1.3．较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器；

　　1.4．会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；

　　1.5．会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作

　　二、纹波、纹波系数的表示方法

　　可以用有效值或峰值来表示，或者用绝对量、相对量来表示；

　　单位通常为：mV

　　一个电源工作在稳压状态，其输出为12V5A，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/12V=0.12%。

　　三、纹波的测试方法

　　3.1．以20M示波器带宽为限制标准，电压设为PK-PK（也有测有效值的），去除示波器控头上的夹子与地线（因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯），使用接地环（不使用接地环也可以，不过要考虑其产生的误差），在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，用示波器的探针直接进行测试；如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。

　　四、开关电源纹波的主要分类

　　开关电源输出纹波主要来源于五个方面：

　　4.1.输入低频纹波;

　　4.2.高频纹波;

　　4.3.寄生参数引起的共模纹波噪声;

　　4.4.功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声;

　　4.5.闭环调节控制引起的纹波噪声。

　　五、电源纹波测试

　　纹波是叠加在直流信号上的交流干扰信号，是电源测试中的一个很重要的标准。尤其是作特殊用途的电源，如激光器电源，纹波则是其致命要害之一。所以，电源纹波的测试就显得极为重要。

　　电源纹波的测量方法大致分为两种：一种是电压信号测量法；另一钟是电流信号测量法。

　　一般对于恒压源或纹波性能要求不大的恒流源，都可以用电压信号测量法。而对于纹波性能要求高的恒流源则最好用电流信号测量法。

　　电压信号测量纹波是指，用示波器测量叠加在直流电压信号上的交流纹波电压信号。对于恒压源，测试可以直接用电压探头测量输出到负载上的电压信号。对于恒流源的测试，则一般是通过使用电压探头，测量采样电阻两端的电压波形。整个测试过程中，示波器的设置是能否采样到真实信号的关键。

　　所用的仪器是：配有电压测量探头的TDS1012B示波器。

　　测量之前需要进行如下设置。

　　1.通道设置：

　　耦合：即通道耦合方式的选择。纹波是叠加在直流信号上的交流信号，所以，我们要测试纹波信号就可以去掉直流信号，直接测量所叠加的交流信号就好。

　　宽带限制：关

　　探头：首先选用电压探头的方式。然后选择探头的衰减比例。必须与实际所用探头的衰减比例保持一致，这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如，所用电压探头放在×10档，则此时，这里的探头的选项也必须设置为×10档。

　　2.触发设置：

　　类型：边沿

　　信源：实际所选择的通道，如，准备用CH1通道进行测试，则此处就应该选择为CH1。

　　斜率：上升。

　　触发方式：如果是在实时地观察纹波信号，则选择‘自动’触发。示波器会自动跟随实际所测信号的变化，并显示。这个时候，你也可通过设置测量按钮，实时地显示你所需要的测量的数值。但是，如果你想要捕捉某次测量时的信号波形，则需要将触发方式设置为‘正常’触发。此时，还需要设置触发电平的大小。一般当你知道你所测量的信号峰值时，将触发电平设置为所测信号峰值的1/3处。如果不知道，则触发电平可以设置的稍微小一些。

　　耦合：直流或交流…，一般用交流耦合。

　　3.采样长度（秒/格）：

　　采样长度的设置决定能否采样到所需要的数据。当所设置的采样长度过大时，就会漏掉实际信号中的高频成分；当所设置的采样长度过小时，就只能看到所测实际信号的局部，同样无法得到真实的实际信号。所以，在实际测量时，需来回旋转按钮，仔细观察，直到所显示波形是真实的完整的波形。

　　4.采样方式：

　　可根据实际需要设定。如，要求测量纹波的P-P值，则最好选择峰值测量法。采样次数也可根据实际需要设定，这与采样频率及采样长度有关。

　　5.测量：

　　通过选择对应通道的峰值测量，示波器就可以帮你把所需要的数据及时显示出来。同时也可以选择对应通道的频率、最大值、均方根值等。

　　通过对示波器进行合理设置和规范的操作，一定可以得到所需的纹波信号。但是，在测量过程中一定要注意防止其它信号对于示波器探头自身的干扰，以免所测量的信号不够真实。

　　通过电流信号测量法测量纹波值是指，测量叠加在直流电流信号上的交流纹波电流信号。对于纹波指标要求比较高的恒流源，即要求纹波比较小的恒流源，采用电流信号直接测量法可以得到更加真实纹波信号。与电压测量法不同的是，这里还用到了电流探头。比如，继续用上述的示波器，再加一个电流放大器和一个电流探头。此时，只需用电流探头夹住输出到负载的电流信号，就可以进行电流测量法来测量输出电流的纹波信号了。与电压测量法一样，整个测试过程中，示波器及电流放大器的设置是能否采样到真实信号的关键。

　　其实，用这种方法测量时，示波器的基本设置及用法与上述相同。不同的是，通道设置中探头的设置有所不同。在这里，需要选则电流探头的方式。然后，选择探头的比例，必须与放大器所设置的这个比例相同，这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如，所用放大器的这个比例设置为5A/V，则此时示波器的这一项也需设置为5A/V。至于电流放大器的耦合方式，当示波器的通道耦合已经选择为交流耦合时，则这里选择交流或直流都可以。

　　需要注意的是，用这种方法时，需先打开示波器，然后再打开电流放大器。且，记得在使用前对电流探头先消磁。

　　另外，测量电源纹波本身有一定技巧性。图1给出了一个不当使用示波器测量电源纹波的实例。在这个例子中出现了几个错误，首先是使用了接地线很长的示波器探针；其二是让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件；最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

　　在电源中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形，其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由变压器交绕（interwinding）电容产生的共模电流。