电源纹波的产生、测量和抑制

1 引 言

对于电子产品来说唯一不可缺少的是电源，但是它除了提供能量外，也带来了纹波、噪声等影响电子产品正常工作的影响。纹波电压对高放、本振、混频、滤波、检波、A/D变换等电路都会产生影响，在设计控制设备、电子仪器、电视、摄像机等电子产品时都要想办法尽量减小纹波。为此就要了解纹波、知道它是如何产生的、如何测量以及抑制方法。
2 电源纹波

纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，指在额定输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

纹波用示波器可以看到，在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，所以被称为纹波（见图1）。

图1 RIGOL示波器DS1302观察的纹波信号波形

2.1 电源纹波产生

我们通常在产品中用的电源主要有线性电源和开关电源二大类，输出的直流电压是一个固定值，由交流电压经整流、滤波、稳压后得到。由于滤波不干净，直流电压中含有交流成分，这就产生了纹波。纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅不是定值，随时间而变，不同电源的纹波波形不一样。

产生电源纹波的因素有许多，即使你用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。

线性电源

由于我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器，纹波电压的频率常常是50nHz，n取自然数，大小取决于整流电路的类型。对于半波整流，是1；对于全波整流，是2；对于三相全波整流，是6，即300Hz。所以这种电源的输出端纹波主要是50HZ或它的整数倍，幅值小，较易滤除，通常纹波可做到几mV。

如假定整流桥输出负载电流IL，负载电压VL，整流桥输人交流电压幅值Vm及其输人交流电压频率f，则其输出的纹波电压由表1各式计算。表1 整流纹波电压

采用功率匹配法或等效电流源法计算纹波电压，一般表示为：

△U＝ILsin2wt／(2wC) (1)

从式(1)中可以看出，纹波频率为输人频率的两倍，其幅值正比于变换器的输出电流，反比于输人电压频率和平滑电容的大小。

开关电源

产生的纹波比较复杂、很难滤除且幅值较大。主要来源于五个方面:除低频纹波外还有高频纹波、共模噪声、开关器件产生的噪声和调节控制环路引起的纹波噪声。一般开关电源的纹波比线性电源的纹波要大，频率要高。

①高频纹波。高频纹波来源于开关变换电路。开关电源的开关管在导通和截止的时候，都会有一个上升和下降时间，这时候在电路中就会出现一个与开关上升与下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声，幅值通常要比纹波大得多。

如假设输出整流电容Cf有限，实际电容也有损耗，流进电容的电流ics是脉动的，使Vo脉动，形成纹波电压。假定D为占空比、L为储能电感、C为滤波电容、fs为开关频率，则常用的4种基本类型变换器的输出纹波电压列于表2。表2 高频纹波电压

从表2可以看出，通常高频的输出噪声，大小与开关电源的频率和输出滤波器有关。电源的开关频率越高，电感和电容值越大，则输出纹波越小。

②共模噪声。功率器件与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当电压作用于功率器件时，导致开关电源的输出端产生共模纹波嗓声。

③开关器件产生的噪声。随着开关的开启和关闭的切换，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动。所以在输出端也会出现一个与开关同频率的纹波。

④调节控制环路引起的纹波噪声。实际电路中控制环路要有时间响应，不能做到线性调节，故输出电压瞬间会忽高忽低，甚至有可能造成电源系统的振荡，由此产生了纹波噪声。

2.2 纹波电压危害

在调试产品时会遇到以下这些现象：

喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音，这可能是音频范围内的类似正弦波的纹波信号推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音；

调试信号放大系统时，能看到纹波电压对放大信号产生调制，形成杂波；

如果电视图像的背景上有细横条向上或向下滚动，可能是由激励器中调制、校正等中频单元的供电电源纹波过大引起。

以上现象都可能是纹波在捣乱。纹波电压高了，有可能使电子产品产生谐波、调制等，干扰正常的工作状态；导致电源效率降低；影响数字电路的逻辑关系；干扰信号的正常传递等等。较强的纹波会产生浪涌电压或电流，有可能烧毁用电设备。要使纹波足够小，必须准确地测出纹