开关电源参数之——走进纹波

开关电源参数之——走进纹波

开关电源是现代电子设备中不可或缺的组成部分，而纹波噪声则是影响电源性能的关键因素之一。本文将深入探讨纹波的定义、成因、危害以及如何通过测试和设计来控制纹波，为电子工程师和对电源技术感兴趣的读者提供有价值的参考。

开关电源中滤波电路的缺陷以及开关管通断产生的高频噪声，不仅会引起纹波噪声，还可能引发干扰和故障。在数字电路中，直流电源的噪声也是引起系统时钟和数据抖动的重要原因。那么，究竟什么是纹波噪声呢？

1、什么是纹波？

开关电源的输出并非真正恒定的，输出存在着周期性的抖动，这些抖动看上去就和水纹一样，故称为纹波。纹波可以是电压波纹，也可以是电流纹波。

图1

2、产生纹波的原因

开关电源的纹波来自2个地方：

（1）低频纹波：来自AC输入的周期，电源对输入的抑制比不是完美的，当输入变化，输出也会变化。

（2）高频纹波：来自开关切换的周期，开关电源不是线性连续输出能量，而是将能量组成一个个“包”来传输，因此会存在和开关周期相对应的纹波。

如果是线性电源，则没有开关纹波，只有低频纹波。

图2

3、纹波与噪声

纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动，而噪声是随机耦合到输出上的高频信号，二者并不相同。

图3

4、纹波噪声的影响

纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号，周期和振幅随着时间不断变化，并且不同电源的纹波也各不相同。一般来说，纹波是有百害而无一利的。

由于纹波的影响，使得输出的峰值比平均值高，这可能会损坏负载；电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率；高频纹波噪声还可能产生浪涌，导致电气设备非正常运行，加速设备老化；在数字电路中，纹波会干扰电路的逻辑关系，给通信、测试和计量带来噪声干扰，影响信号的正常测量，甚至损坏设备。

5、直流电源的电压纹波测试

除了电源设计时要考虑降低纹波噪声，纹波也是评估电源性能的一个重要指标。在电源测试领域，利用正确的测量方法可以大大改善测得纹波结果。

测试纹波，离不开示波器的使用。为了避免地环流在示波器输入端引入误差，通常采用单端示波器测量方法，连接线路采用单端接地。即电源端不接地，示波器端接地。

通常在示波器和直流电源之间会增加RC模块，并设置示波器输入阻抗为1 MΩ，以保护示波器不被过高的直流电压损坏；同时使用带宽限制来规定纹波，以防止拾取并非真正存在的高频噪声；示波器设置交流耦合方式，滤除被测信号的直流分量，仅观察被测信号的交流分量；同时示波器选择更小的垂直档位，这可以更清楚地观察电源纹波的细节，示波器上可以直接读取纹波的峰峰值和有效值。

对于示波器的探头，需要注意的是先取掉探针帽，构成一个拾波器，这可以消除由长接地引线形成的天线；再用一小段短线替代探头自带的较长接地线，这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度，从而进一步减少拾波。

图4 | 错误的探头接线

图5 | 正确的探头接线

需要注意的是，在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。要防止这一问题的出现，我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。

实际上，集成到系统中以后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感，这种电感可能存在于布线中，或存在于PCB上。此外，在芯片周围总是会存在额外的旁路电容，它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器，进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。许多情况下，该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下，从而可能大大降低纹波。

下面是ICW209在某款应用板上的纹波测试结果，图6是220VAC，输出带载500mA时的纹波，图7是220VAC，输出带载1.3A时的纹波。可以看出这两张图上几乎没有高频的尖峰噪声，因此我们直接读取其峰峰值作为其纹波电压值。

图6

图7

从上图可知，在220VAC时，带载500mA的纹波电压值为56mV，带载1.3A的纹波电压值为76mV。

抑制纹波的方法有很多，但想完全消除，这似乎很难办到。我们只能将其控制在允许的范围内，不对环境和设备产生影响即可。随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，信号环境日趋复杂，对电源纹波和噪声的要求日益提高，对电源的纹波和噪声进行评估，是保证电路稳定工作的前提。