电源设计说明：如何测量纹波

如果输出信号受到纹波的影响，开关转换器的性能会显着降低。它的存在在光谱仪中非常明显。减少输出纹波和开关瞬变对于所有应用都至关重要。让我们看看如何注意以及如何测量直流输出电压中存在的任何波。

介绍

出于多种原因，开关稳压器中输出纹波的测量是一项至关重要且精细的操作。测量这个不需要的信号需要非常小心，因为很容易得到错误的读数。纹波是开关稳压器输出端出现的不需要的信号。这取决于稳压器本身的质量和使用的外部元件的特性。

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纹波是交流输出端交流电压的残余，其频率取决于电路开关。其基频与开关频率相同。识别它的一个重要参数是纹波系数，它相当于输出中交流分量的 RMS 值与整流输出的平均值之间的比值（见公式 1）。它总是小于团结。

公式 1：纹波系数

通常很难准确测量。工程师可能难以使用示波器进行准确测量。误差源的总和必须只有几个 mV。但对于其他更关键的应用，例如医疗应用，限制甚至更窄。

用示波器测量纹波

示波器执行纹波测量（见图 1）。在高层次上，这种选择并不是最好的。连接到示波器尖端的电缆形成一个回路。探头和接地导体会产生寄生电感，对要测量的信号产生负面影响。当测量的频率更高时，问题变得更糟。对于此分析，对于某些类型的测量，包括纹波测量，必须使用非常短的电缆和非常高质量的探头。示波器也必须尽其所能并具有卓越的品质。它必须具有良好的灵敏度、出色的 SNR、高分辨率和足够的带宽。质量差的探针是没有回报的。低电平示波器在使用高输入阻抗时具有高背景噪声。如果涟漪很小，它的可视化就会非常不舒服和复杂。为了测量叠加在直流电源电压上的纹波，需要消除采集信号的直流分量，并放大小交流信号。出于这个原因，交流输入通过与电缆串联的电容 C 的电容器去耦，创建一个简单的高通滤波器，其特征在于时间常数：

t = 2 x Z x C

正如您在图中看到的，虽然大约 17 V 的输出信号是直流电，但它受到了不希望有的交流分量的影响。有时，在通过电容器阻断 DC 之后放大 AC 分量很有用。

图 1：直流信号中的纹波

用测试仪测量纹波

纹波电压是一个小的交流电压，它位于直流偏移之上。即使操作不方便、不准确和具有挑战性，也可以使用数字万用表进行测量。为此，连接了数字万用表的探头和调节器输出。红色连接到正极端子，黑色连接到负极端子。旋转测试仪旋钮选择“交流电压”模式。仪表将仅测量信号的交流分量，即纹波电压（如果存在）。显示屏显示纹波电压幅值的测量值。如果显示值为 0.00 mV，则表示很可能不存在纹波。为了正确表征纹波电压，必须测量其频率。注意测试仪测量的交流电压类型。它可能是一个有效值，平均值、峰峰值或其他。此外，大多数情况下，纹波波形不是正弦波，但始终需要检查万用表的测量类型。图 2 所示的简单接线图显示了一个非常简单的 AC/DC 电源。这些组件按比例提供受纹波噪声影响的 DC 输出信号。

图 2：用万用表估算纹波

观察音频频谱

检查是否存在波纹的一种方法涉及辨别输出信号的音频频谱，如图 3 所示。完美的信号，非常干净且没有波动，应该返回黑屏。另一方面，图中的电压是指由前面的接线图产生的电压，也受电源线上的波动和干扰的影响。存在纹波信号和相关谐波（50 Hz、100 Hz、150 Hz 等）。在频谱图中，也有不同性质的峰值，通常出现在电源线中。

图 3：受纹波影响的直流信号的频谱图

嗡嗡声和音频软件

对于高纹波电平，可以采用不太常用的测量方法。其中之一是将我们的电源或转换器的输出连接到声卡的输入，并使用音频分析软件（例如 Audacity）将来自转换器的信号数字化。通过对交流信号的适当放大，甚至可以辨别出非常低的纹波水平。图 4 显示了由之前的接线图和相关频谱图产生的皱纹，它突出了 50 Hz 波及其谐波的存在。如果纹波频率较低，它会在扬声器中爆炸。

图 4：出口处的波纹

降压稳压​​器中纹波的估计

为了正确计算，不能忽略主要流经电容器 C 的电感电流纹波（见图 5）。电感上的潮汐包含一个也通过负载的直接分量和一个小纹波。直流电仅流过负载电阻，电容器会阻止此直流电。皱纹在电容器和负载电阻之间分裂。因此，电容必须足够大，以使其阻抗在开关频率下显着低于负载阻抗（至少小十倍）。电容器充当滤波器，以便大部分电感纹波通过它。电容上的电流波形是一样的，有电感，没有负载。电感器和电容器是影响纹波的无功元件。必须仔细分析电感值。低 ESR 电容器可最大限度地减少纹波。但随着容量的增加，转换器的成本和尺寸也会增加。有时使用频谱分析仪很有用，因为波动也可以通过其高次谐波表现出来。

图 5：降压稳压器中的纹波

升压稳压器中纹波的估计

在升压稳压器中，输出纹波的百分比可能因许多因素而异，例如：

     • 电子元件的质量
     • 负载的吸收和类型
     • 平滑和滤波电容器的容量
     • 电感值
     • 开关频率

图 6 显示了一个简单的升压稳压器，由 Analog 的 LTC1872 制成。其他一些外部电子元件足以构建一个可用的转换器。

图 6：采用 Analog 的 LTC1872 的升压稳压器

图 7 中的图表显示了两种不同的纹波信号，具体取决于应用的是 44 uF 还是 100 uF 滤波电容器。

图 7：纹波还取决于滤波电容的值

结论

纹波几乎总是出现在电源和转换器上，尤其是低端的。使用示波器进行测量时，尽量减少探头环路面积以避免信号失真至关重要。根据设备的官方文档，还必须遵守电路的工作条件。测量仪器的阻抗也应该在 50 欧姆左右，电缆和探头必须遵循相同的阻抗，以提供平坦的响应和单位增益。



审核编辑：刘清