开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法

8 同轴电缆测量装置2

　　图9 T形BNC连接器和电容电阻的连接

　　纹波和噪声的测量标准

　　以上介绍了多种测量装置，同一个被测电源若采用不同的测量装置，其测量的结果是不相同的，若能采用一样的标准测量装置来测，则测量的结果才有可比性。近年来出台了几个测量纹波和噪声的标准，本文将介绍一种基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置，如图10所示。

　　图10 基于JEITA-RC9131A测量标准的测量装置

　　该标准规定在被测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及C3，C2为22μF电解电容，C3为0.47μF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50Ω同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50Ω的电阻R和串接一个4700pF的电容C1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，连接负载的线若越长，则测出的纹波和噪声电压越大，在这情况下有必要连接C2及C3。若示波器探头的地线太长，则纹波和噪声的测量不可能精确。

　　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。

　　不正确与正确测量的比较

　　1探头的选择

　　图11是用AAT1121芯片组成的降压式DC/DC转换器电路及测量正确和不正确的波形图。若采用普通的示波器探头来测量(如图12所示)，由于地线与探头组成的回路面积太大(由剖面线组成的面积)，它相当于一根“天线”，极易受到EMI的干扰，其输出的纹波和噪声电压相当大(见图11中右面的示波器波形图中绿色的纹波和噪声波形)。若采用专用的测量探头(如图13所示)，它的地线极短，探头与地线组成回路面积较小，受到EMI干扰极小，其输出纹波和噪声波形如图11右面的红色线所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不能用的。

　　图11 AAT1121电路测量波形

　　图12 用普通示波器探头测得的波形

　　图13 用专用测量探头测得的波

　　2 探头与测试点的接触是否良好

　　以金升阳公司的1W DC/DC电源模块IF0505RN-1W为例，采用专用探头靠测法，排除外界EMI噪声干扰，探头接触良好时，测出的纹波和噪声电压为4.8mVp-p，如图14所示。若触头接触不良时，则测出的纹波和噪声电压为8.4mVp-p，如图15所示。

　　图14 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触良好)

　　图15 电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触不良)

　　这里顺便再用普通示波器探头测试一下，其测试结果是纹波和噪声电压为48mVp-p，如图16所示。

　　图16 电源模块IF0505RN-1W测试波形(普通探头)

　　减小纹波和噪声电压的措施

　　开关电源除开关噪声外，在AC/DC转换器中输入的市电经全波整流及电容滤波，电流波形为脉冲，如图17所示(图a是全波整流、滤波电路，b是电压及电流波形)。电流波形中有高次谐波，它会增加噪声输出。良好的开关电源(AC/DC转换器)在电路增加了功率因数校正(PFC)电路，使输出电流近似正弦波，降低高次谐波，功率因数提高到0.95左右，减小了对电网的污染。电路图如图18所示。

　　图17 开关电源整流波形

　　图18 开关电源PFC电路

　　开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑，各部分电路的设计及PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。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。

　　1减少EMI的措施

　　可以采用金属外壳做屏蔽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，如图19所示(EMI滤波器也称为电源滤波器)。

　　图19 开关电源加EMI滤波

　　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。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF，其在20℃、100kHz时的等效串联电阻(ESR)最大值为25mΩ，最大的允许纹波电流(在100kHz时)为2400mArms，其尺寸为：7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高)，其型号为10TPE68M(贴片或封装)。

　　纹波电压ΔVOUT为：

　　ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)

　　若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

　　若采用普通的铝电解电容作输出电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右，无法在高频(100kHz以上的频率)下工作，再增加电容量也无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。

某些开关