电源纹波测量与优化：从原理到实践

电源纹波测量与优化：从原理到实践

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/MA2021803/article/details/146009728

电源纹波是衡量电源质量的重要指标之一，其大小直接影响到电路的稳定性和可靠性。本文将从纹波的测量方法、评估标准、滤波电容选型计算以及工程优化技巧等方面，系统地介绍如何控制和优化电源纹波。

一、纹波测量方法

1. 仪器选择：

• 推荐200MHz以上带宽示波器（这里使用的是Siglent系列的示波器）
• 使用1:1探头或开启示波器探头10:1衰减补偿
• 使用接地弹簧替代传统鳄鱼夹接地线

2. 正确测量步骤：

① 设置示波器：

• 耦合模式：AC耦合（滤除直流偏置）
• 带宽限制：开启20MHz（抑制高频噪声干扰）
• 垂直灵敏度：2mV/div ~ 50mV/div（视纹波幅度调整）
• 时基：1ms/div ~ 10μs/div（捕获完整周期波形）

② 探头连接：

• 采用最小环路连接法（探头尖端直接接触测试点，接地弹簧就近接地）
• 避免平行长导线（防止引入空间辐射噪声）

③ 触发设置：

• 边沿触发模式
• 触发电平设置在波形中间值
• 触发释抑时间调整至波形稳定

设置完可采集到如下图：

二、纹波评估标准

1. 通用标准参考：

• 数字电路：<100mVpp
• 模拟电路：<10mVpp
• RF电路：<1mVpp
• 精密仪器：<100μVpp

2. 行业特殊规范：

• ATX电源：+12V轨<120mV，+5V轨<50mV
• 手机充电器：<200mV（QC协议要求）
• 医疗设备：通常需<50mV

详情参考https://blog.csdn.net/MA2021803/article/details/145979015?spm=1011.2124.3001.6209

三、滤波电容选型计算

当纹波超标时，可通过以下步骤优化：

1. 纹波频谱分析：
2. 使用频谱分析仪确定主要噪声频率
3. 典型开关电源噪声：

• 低频段：100Hz（工频整流）
• 高频段：开关频率（50kHz-2MHz）及其谐波

2. 电容选型公式：
   所需电容计算公式：

其中：

• ：纹波电流峰峰值（A）
• ：噪声基频（Hz）
• ：允许纹波电压（V）

3. 实践选型步骤：
   ① 确定最大允许纹波电压（根据负载器件规格）
   ② 测量实际纹波电流（可通过电流探头或串联采样电阻）
   ③ 计算理论电容值

④ 考虑电容特性：

• 电解电容：低频滤波（<100kHz），需关注ESR和额定纹波电流
• 陶瓷电容：高频滤波（>1MHz），注意直流偏置特性
• 聚合物电容：兼顾高频性能和低ESR

4. 多级滤波配置示例：
   典型开关电源输出滤波方案：

这种组合可有效抑制从100Hz到100MHz的宽频噪声

四、工程优化技巧

1. PCB布局要点：

• 滤波电容尽可能靠近负载端
• 采用星型接地布局
• 电源走线采用平面铺铜处理

2. 进阶滤波方案：

• 增加LC滤波器（推荐值：L=1-10μH，C=100-1000μF）
• 使用π型滤波器结构
• 添加共模电感抑制高频共模噪声

3. 电容参数验证：

• 实际测试时需考虑电容的直流偏置特性（如陶瓷电容在额定电压下容量可能下降80%）
• 温度对电解电容的影响（105℃电容比85℃电容寿命长3-5倍）

五、调试流程示例

假设某5V电源测得纹波为150mVpp（超标），目标降至50mVpp：

1. 频谱分析显示主噪在200kHz
2. 测得纹波电流Ipp=200mA
3. 计算所需电容：
4. 选择10μF/25V X7R陶瓷电容（考虑余量）
5. 并联100nF/50V NPO电容抑制高频谐波
6. 验证实际纹波降至40mVpp

注意事项：

• 电容耐压需留有50%余量
• 高温环境需降额使用
• 多电容并联时需注意谐振问题
• 大容量电容需配合软启动电路使用

通过系统性的测量、分析和优化，可有效控制电源纹波，确保电路稳定工作。实际应用中建议预留30%的设计余量，并做好温度老化测试。