开关电源输出纹波的正确测量方法


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      开关电源输出电压的纹波(纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号,是杂波的峰峰值)是一个重要的指标,如何正确使用示波器来测量这个指标?测量电源输出纹波有一定技巧性。首先来分析一个不当使用示波器测量纹波的实例,分析其错误,并探讨如何采用正确的测量方法以便得到准确的测量结果。下面的图片是使用示波器测量电源纹波的结果,在这个测试中出现了几个错误:

 

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1.使用了接地线很长的示波器探针。
2.让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件。
3.允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。
其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分,纹波噪音的峰值显示偏高。在高频电路中存在着许多很容易耦合到探针中的高频、高电压和电流信号波形,其中包括来自高频变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由交绕电容产生的共模电流。
采用正确的测量方法可改善纹波测量的结果:
1.通常会规定纹波的带宽上限,以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声,应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。
2.可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。下图所示,我们把一段短线绕在探针接地引线周围,并使之与电源地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度,从而进一步减少高频拾取。
3.在隔离电源中,真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的,这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降,表现为纹波。要抑制这个纹波,需要在电源设计中仔细考虑共模滤波问题。
4.把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流,因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图中显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果,可以看到,输出波形比较圆滑,高频尖刺已基本消除。
事实上,当搭配负载设备使用后,输出纹波性能甚至会更好。在开关电源和负载设备之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的,而在负载设备的输入端总会有作为输入滤波而附加旁路电容,这两者形成低通滤波效应并进一步降低电源纹波和高频噪声。比如由电感量为15nH的长一英寸的输出连接线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器,其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比开关电源纹波频率低很多倍,可以切实降低纹波。
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