开关电源的纹波测试及其改善方法

一.什么是纹波?

纹波(ripple)的定义是指在直流电压或电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量。

它主要有以下害处：

1.1.容易在用电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害;

1.2.降低了电源的效率;

1.3.较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器;

1.4.会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作;

1.5.会带来噪音干扰，使图像设备、音响设备不能正常工作。

二、纹波的表示方法

可以用有效值或峰值来表示，或者用绝对量、相对量来表示;

单位通常为：mV

例如：

一个电源工作在稳压状态,其输出为12V5A，测得纹波的有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/12V=0.12%。

三、纹波的测试方法

3.1.以20M示波器带宽为限制标准，电压设为PK-PK(也有测有效值的)，去除示波器控头上的夹子与地线(因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯)，使用接地环(不使用接地环也可以，不过要考虑其产生的误差)，在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容，用示波器的探针直接进行测试;如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。

四、开关电源纹波的主要分类

开关电源输出纹波主要来源于五个方面：

4.1.输入低频纹波;

4.2.高频纹波;

4.3.寄生参数引起的共模纹波噪声;

4.4.功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声;

4.5.闭环调节控制引起的纹波噪声。

4.1、输入低频纹波:

低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。电容的容量不可能无限制地增加，导致输出低频纹波的残留。

交流纹波经DC/DC变换器衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。

电流型控制DC/DC变换器的纹波抑制比电压型稍有提高。但其输出端的低频交流纹波仍较大。要实现开关电源的低纹波输出，必须对低频电源纹波采取滤波措施。

可采用前级预稳压和增大DC/DC变换器闭环增益来消除。

低频纹波抑制的几种常用的方法:

a、加大输出低频滤波的电感，电容参数。

●电容上的纹波有两个成分,一个是充放电时的电压升降量，一个是电流进出电容时ESR上的I*R电压降量。

●通过输出纹波与输出电容的关系式：vripple=Imax/(Co×f)可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。

●或者考虑采用并联的方式减小ESR值,或者使用LOW ESR电容。

b、采用前馈控制方法，降低低频纹波分量。

●feed forward control (FFC) 前馈控制是按照扰动产生校正作用的一种调节方式，主要用于一些纯滞后或容量滞后较大的被控参数的控制。

●其目的是加速系统响应速度，改善系统的调节品质。

1、低频纹波噪声

主要是由于开关管开关状态的快速变化导致的。在开关管导通和关断过程中，电流和电压的快速变化会产生低频纹波噪声。这种噪声通常具有较低的频率，但可能对电路性能产生较大影响。

抑制方法：

①加大输出低频滤波的电感和电容参数，使其降低到所需的指标;

②采取前反馈控制方法，降低低频纹波分量。

2、高频纹波噪声

主要是由于开关电源内部电路中的元件参数不匹配或寄生效应导致的。例如，电容器的寄生电感、电阻器的寄生电容等都会产生高频纹波噪声。这种噪声通常具有较高的频率，但幅度相对较小。

抑制方法：

①采用多级滤波;

②加大输出高频滤波器，可抑制输出高频纹波;

③提高开关电源工作频率，以此提高高频纹波频率。

3、共模纹波噪声

是由于开关电源内部电路中的元件之间存在电位差而产生的。当开关电源工作在高频时，电位差会导致电流在元件之间流动，从而产生共模纹波噪声。这种噪声对电路性能和稳定性产生较大影响，需要采取措施进行抑制。

抑制方法：

①采取专门设计的EMI滤波器;

②降低开关刺幅度。

4、超高频谐振噪声

是由于开关电源内部电路中的元件之间存在谐振效应而产生的。当开关电源工作在高频时，元件之间的谐振效应会导致电流和电压的波动，从而产生超高频谐振噪声。这种噪声对电路性能和稳定性产生较大影响，需要采取措施进行抑制。

抑制方法：

①采用软恢复特性二极管;

②使用结电容小的开关管;

③减少布线长度。

5、闭环调节控制引起的纹波噪声

闭环调节控制是开关电源中常用的控制方法之一。然而，闭环调节控制可能会导致开关电源内部电路中的元件参数发生变化，从而产生纹波噪声。这种噪声通常具有较低的频率，但可能对电路性能产生较大影响。

抑制方法：

①在调节器输出增加对地的补偿网络，这是因为该补偿可以抑制调节器自激引起的纹波增大问题;

②合理选择闭环调节器的开环放大倍数和参数，最好根据负载状况调节;

③在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节，这样做的好处是可以使延时滞后降到最低，以此增加闭环调节的快速性和及时性，对抑制输出电压纹波是有益的。