反激式开关电源的纹波测量：原理、方法与实践

在现代电子设备中，开关电源因其高效、紧凑等优点而得到广泛应用。其中，反激式开关电源以其简单的拓扑结构和较低的成本，在中小功率应用场景中占据了重要地位，如手机充电器、LED 驱动电源等。然而，反激式开关电源输出电压中存在的纹波问题，可能会对负载设备的性能产生不良影响。因此，准确测量反激式开关电源的纹波，对于评估电源质量、优化电源设计以及保障负载设备的稳定运行具有重要意义。

反激式开关电源工作原理

反激式开关电源的基本拓扑结构主要由开关管、变压器、输出整流二极管和输出滤波电容等组成。当开关管导通时，变压器初级绕组有电流流过，电能以磁场能的形式存储在变压器中，此时次级绕组的整流二极管反偏截止，负载由输出滤波电容供电。当开关管关断时，变压器初级绕组电流迅速减小，根据电磁感应定律，次级绕组产生感应电动势，整流二极管导通，变压器将存储的能量传递给负载，同时对输出滤波电容充电。通过控制开关管的导通和关断时间(即占空比)，可以调节输出电压的大小。

纹波产生的原因

电容充放电

输出滤波电容在开关管导通期间向负载放电，电压逐渐下降;在开关管关断期间，变压器向电容充电，电压上升。这种电容的周期性充放电过程导致了输出电压的波动，形成了纹波。电容的容量和等效串联电阻(ESR)对纹波大小有显著影响。一般来说，电容容量越大，纹波越小;ESR 越大，纹波越大。例如，若电容容量不足，在放电过程中电压下降速度会加快，从而使纹波增大。

变压器漏感

实际的变压器存在漏感，当开关管关断时，漏感中的能量会与电路中的寄生电容产生谐振，形成高频振荡，这部分振荡会叠加在输出电压上，增加了纹波的高频成分。而且，漏感还会导致开关管关断瞬间产生较高的电压尖峰，进一步影响输出纹波。

开关管的开关过程

开关管在导通和关断瞬间，电流和电压会发生快速变化，产生高频噪声。这些噪声会通过电路的寄生参数耦合到输出端，成为纹波的一部分。例如，开关管的上升时间和下降时间越短，产生的高频噪声幅度可能越大，对纹波的影响也就越明显。

纹波测量方法

示波器测量法

这是最常用的纹波测量方法。

带宽设置：电源纹波主要是低频成分，为了滤除高频噪声干扰，通常将示波器带宽限制在 20MHz。因为电源上的频率成分一般不超过数十兆赫兹，而过高的带宽可能会引入示波器本身或空间辐射的高频噪声，导致测量结果不准确。

耦合方式：选择 AC 耦合模式，这样示波器只测量交流分量，即纹波，而忽略直流分量，能更清晰地观察和测量纹波波形。

探头选择与连接：优先选择具有 X1 档位的探头，对于小信号测量，10X 探头会将信号衰减 10 倍，可能使信号淹没在示波器底噪中，影响测量精度。探头接地也非常关键，应使用短接地线，尽量将接地环直接连接到待测点附近的地平面，以减小接地环路面积，避免板子上的高频信号穿过环路产生干扰电压。

同轴电缆测量法

使用 50Ω 同轴线，一端剪断后直接焊接到负载端的电容上，焊接线越短越好，以减少干扰。将同轴线的另一端连接到示波器，并将示波器设置为 50Ω 输入模式，选择 1X 档位。由于电源内阻通常很低，示波器的 50Ω 输入作为负载对电源性能影响较小，通过这种方法可以有效避免信号衰减和噪声干扰，更精准地测量纹波。

测量仪器的选择

示波器

示波器的带宽应满足测量需求，对于纹波测量，一般至少 100MHz 带宽的示波器较为合适。同时，要关注示波器的垂直分辨率和噪声性能，垂直刻度应调整为每一格代表的电压尽可能小，以提高仪器灵敏度，确保能准确测量纹波的细微变化。部分示波器还具备高分辨率模式，在需要更清晰的纹波波形时可启用该模式。

探头

除了上述提到的探头档位选择，还应注意探头的带宽与被测信号频率范围的匹配。对于电源纹波测量，市场上常见的 20MHz 带宽探头基本能满足需求。此外，探头的质量也很重要，应确保其具有良好的屏蔽性能，减少外界干扰对测量结果的影响。

测量过程中的注意事项

测量点选择

纹波测量点应靠近负载，例如在 CPU 供电管脚上的去耦电容处测量。若一个电源网络同时为多个耗电大的 IC 供电，需逐一测量这些关键 IC 电源管脚的纹波水平，以全面评估电源质量。

环境因素

尽量在干扰少的环境中进行测量，减少外界噪声对测量结果的影响。同时，要注意电源本身的工作状态，确保其在正常负载条件下进行测量，以获得准确反映实际应用情况的纹波数据。

多次测量与数据分析

为提高测量结果的准确性，应进行多次测量并取平均值。同时，仔细观察纹波波形的变化，分析其是否存在异常，如是否有明显的高频尖峰或低频波动等，以便及时发现电源设计或工作中的问题。

结论

反激式开关电源的纹波测量是评估其性能的重要环节。通过深入理解纹波产生的原理，选择合适的测量方法和仪器，并严格遵循测量注意事项，能够准确测量纹波，为电源设计优化、故障排查以及负载设备的稳定运行提供有力支持。在实际应用中，不断优化测量技术和分析方法，将有助于进一步提升反激式开关电源的性能和可靠性，满足日益增长的电子设备对高质量电源的需求。