電源紋波的測量和抑制

摘要：本文介紹了電源電壓紋波和紋波係數的概念。提出四種抑制電源紋波的方法：RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環濾波法以及組合濾波法。通過實驗得到四種方法的濾波效果，並總結了它們的優缺點。通過比較得出，使用組合濾波方法可以有效降低電源紋波。

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引言

　　電源的主要作用是為電子產品提供電能，但供電的同時不可避免地會引入紋波、噪聲等，使電子系統甚至整個產品的穩定性和可靠度降低。電壓紋波能極大地影響到電源的各個電路，如A/D變換電路、運算放大電路、整流濾波電路等。通常的應用中有以下危害：產生不期望出現的諧波而造成過壓或過流引發事故;增加附加損耗，降低用電設備的效率和利用率;使設備運行不正常、加速老化、縮短壽命;使繼電保護、自動裝置、計算機系統等設備運轉不正常或不能正常動作;使測量和計量儀器儀表出現偏差;幹擾通信系統，降低信號傳輸質量，甚至損壞通信設備。因此，在設計電子產品時，需要準確地測量紋波，並將紋波抑制在一定範圍內。

1 電源紋波及紋波係數

　　嚴格來講，穩壓電源包括電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分。由於DC-DC也可看作是一種穩壓電源，所以把整流電路、濾波電路和穩壓電路看成是穩壓電源的必要三部分^[1]。整流電路是利用單向導電器件將交流電轉換成脈動直流電，脈動直流電不平滑，含有大量交流電成分。濾波電路是利用儲能元件把脈動直流電轉換成比較平坦的直流電，由於濾波電路性能各異，雖可以濾去大部分的交流電成分，但不能完全濾除。整流濾波後的穩壓電路是利用電路的調整作用使輸出電壓穩定，使交流電成分降低到最小。這種伴隨穩定電壓輸出的不能完全濾除的交流電成分叫紋波電壓。

　　為了表徵直流穩壓電源濾波的性能，引入紋波係數的概念^[2-3]。定義紋波係數ψ為紋波電壓有效值Vr與直流輸出電壓Vo的百分比值，即：

　　紋波係數是評價直流電源穩定純淨輸出的重要指標。根據上式可知，求紋波係數需測量紋波電壓。

2 電源紋波的測量

　　準確測量電源紋波一般需要兩種儀器，即電子負載(Electronic Load)和數字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。電子負載方便調整電流，一般設定在恆阻模式(CR);數字存儲示波器能直接捕獲整個紋波波形，存儲放大並讀出紋波數值。將示波器讀值代入公式，可得到紋波係數。

　　測量時，必須要注意以下兩點(這兩點對測量結果的準確性尤為重要)：

　　(1)數字存儲示波器的探頭地線必須拔掉，改用探頭組件中的接地彈簧針。可以防止出現地環路耦合進EMI噪聲，使測量結果不準確。如圖1所示，探頭地線過長且環路面積過大，形成了接收天線、高頻雜波或EMI噪聲會耦合進所測信號。

　　圖2所示為安裝接地彈簧針的探頭，環路面積大大減小，使測量更為準確。

　　(2)數字存儲示波器本身需要調整設置。數字存儲示波器需有良好的接地，進一步濾去從電源端附加進來的雜波;使用數字存儲示波器的交流耦合，阻擋直流，使紋波測試更為直觀準確;一般的紋波測試都要求頻率限制在20MHz以下，因此數字存儲示波器應打開20MHz帶寬限制，隔離高頻噪聲。

3 抑制電源紋波的方法

　　抑制穩壓電源輸出電壓的紋波，一般採取的方法有以下四種：RLC濾波法、共模濾波法、鐵氧體磁環濾波法以及三種方法的組合。

　　通過實驗驗證說明抑制DC-DC電源紋波的濾波電路。驗證實驗中選取100W DC-DC電源，48V輸入，5V輸出，型號為Meanwell的SD-100C-5。數字存儲示波器選擇GWINSTEK的GDS-1072B，帶寬為70MHz，採樣率為1GSa/s，每通道存儲深度最高為10M。電子負載選擇GWINSTEK的PEL-3021，電壓範圍為1.5V~150V，電流範圍為0~35A，功率為175W。據此計算可知，電路中最大電流為20A。圖3為電源紋波測試的連接框圖。

　　為了使抑制電源紋波的效果更直觀明顯，先將SD-100C-5的濾波電路短接，測量其輸出電壓的紋波。從圖4中可以得到，電源紋波大致為85.6mVpp，有效值為48.2mVrms。

3.1 RLC濾波法

　　RLC濾波法不一定把電阻、電感器和電容器都用上，根據理論計算和經驗值，可以採取單獨電容濾波法以及電感電容組合濾波法，都可取得比較理想的濾波效果。本文為了簡要說明RLC濾波設計，以單獨電容濾波法舉例操作闡明其有效性。在SD-100C-5電源輸出端加載由0.1μF和47μF兩個電容並聯而成的電容濾波器。開啟電源，把電子負載的輸出電流調節到20A。用數字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖5所示。電源紋波大致為18.4mVpp，有效值為10.2mVrms，和無濾波電路相比，電源輸出紋波減小。

　　如採用LC組合濾波法，在電源輸出端並聯一個150μF電容器，在輸出端正負極各串一個6μH的電感器，也能得到類似的結果，和單獨的電容濾波法相比有進步，但結果相差不大。

3.2 共模濾波法

　　在SD-100C-5電源輸出端加共模扼流圈以及Y電容器去耦，衰減共模紋波。扼流圈中的寄生電感形成LC濾波器，濾除差模紋波。如圖6是採用共模濾波法的電路圖。

　　開啟電源，把電子負載的輸出電流調節到20A。用數字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖7所示。電源紋波大致為13.2mVpp，有效值為9.14mVrms。相比RLC濾波法，輸出紋波減少了5.2mVpp。

　　共模扼流圈是在閉合磁環上繞制方向相反、匝數相同的線圈。當有共模電流流過線圈時，會產生同向的磁場從而增大線圈的感抗，表現為較強的阻尼作用，從而抑制共模電流，達到濾除紋波的目的^[4]。雖然從以上比較可以看出共模濾波法比RLC濾波法更有效，但值得注意的是，共模扼流圈體積比電容器或電感器要大幾倍，如果考慮電源電路板的有效面積，尤其是開關電源功率密度要求很高時，則無法使用共模扼流圈。

3.3 鐵氧體磁環濾波法

　　在SD-100C-5電源輸出端的電源接線上直接穿繞一個鐵氧體磁環，如圖8所示。為了更能說明濾波效果，選用TDK的夾扣式鐵氧體磁環。開啟電源，把電子負載的輸出電流調節到20A。用數字存儲示波器測量輸出電壓的紋波，紋波大小如圖9所示。電源紋波大致為12.4mVpp，有效值為10.1mVrms。和共軛濾波法相比非常接近，但鐵氧體磁環簡單，可以根據電源的尺寸要求做相應的定製。因此它目前已廣泛應用在印製電路板、數據線和電源線的濾波上。

　　鐵氧體磁環的使用頻率從1kHz到100MHz，主要用在高頻的尖波抑制、雜波濾除和EMI濾波。鐵氧體磁環在低頻段主要表現為感抗，濾波效果不是很明顯;在高頻段時，阻抗由電阻成分構成。當高頻信號通過鐵氧體磁環時，電磁幹擾被吸收並轉換成熱能的形式耗散掉。因此，鐵氧體磁環要儘量安裝在靠近幹擾源的地方。它們在線路中對高頻成分所呈現的電阻大約是十至幾百Ω，因此，它在高阻抗電路中的作用並不明顯，相反，在低阻抗電路(如功率分配、電源或射頻電路)中使用將非常有效。

3.4 組合濾波法

　　實際的電源濾波電路設計中，為了使濾波效果更好，一般選擇幾種濾波方法的組合。其中比較簡單有效的辦法是電容濾波法和鐵氧體磁環的組合，在SD-100C-5電源輸出端並聯一個電容濾波器，在電源輸出線上穿繞鐵氧體磁環。開啟電源，調節電子負載，使其電流輸出達到20A。用數字存儲示波器測量輸出電壓紋波，紋波大小如圖10所示。電源紋波大致為8.80mVpp，有效值為8.35mVrms。和以上三個濾波方法相比，組合濾波法效果最明顯。

　　通過表1比較分析可得，使用組合濾波法抑制電源紋波後，電源紋波電壓為8.80mVPP，有效值為8.35mVrms，紋波係數為0.167%，遠低於0.5%，達到的濾波效果是比較好的。RLC濾波和鐵氧體濾波效果差不多，紋波係數分別為0.204%和0.202%，效果劣於共模濾波。同時考慮共模扼流圈的體積，其應用範圍受到限制。當把RLC濾波法和鐵氧體磁環濾波法組合時，其抑制電壓紋波效果最好。由於RLC濾波法和鐵氧體磁環濾波法都簡單而易於操作，所以在設計濾波電路時，應權衡系統對電源的要求和預算的大小，重點採用這兩種濾波方法或其組合。

　　現在的電子產品由於體積的要求越來越嚴格，其電源部分大都採用開關電源模塊。因此電源設計工程師一定要考慮開關電源的紋波抑制和電路板的合理布局。本文提出的濾波方法，為電源設計工程師提供了一定的參考，可以綜合考慮所設計的電源大小、技術要求、用途和預算，恰當地選擇合適的濾波方法，設計出符合市場需求的合格電源。

4 結論

　　通過以上實驗和分析可以得到常用濾波方法的組合，能有效抑制電源紋波。在濾波電路設計比較嚴格和預算準許的情況下，可以採用組合濾波法抑制電源紋波，從而提高電源的穩定性與可靠性。

參考文獻：

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本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第4期第45頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。