干貨分享丨紋波噪聲測試方法及延伸
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2024-12-19
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一、開關電源輸出紋波產生的原因
紋波是輸出直流電壓的波動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關的過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰-峰值，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。一般我們看到的紋波和噪聲的形式如下圖1-1所示。
（一）開關電源輸出噪聲產生的原因
1.開關器件的開關行為：開關電源中的開關器件（如MOSFET、IGBT等）在高速開關過程中，會引起電流和電壓的急劇變化。這種瞬態變化在電源的輸出端表現為電壓波動，即噪聲。尤其是在開關管高速開通與關斷時，其導通與截止期間會產生很大的沖擊電流，從而在輸出端形成噪聲。
2.當整流二極管由正向導通狀態轉變為反向截止狀態時，?會經歷一個反向恢復過程。?在這個過程中，?已經導通的二極管在突然加上反向電壓的一段時間內，?電流下降到零以后，?并不立刻停止導通，?而是處于反向低阻狀態。?此時，?在反向電壓作用下，?載流子進入復合過程，?導致反方向繼續流過電流。?當載流子復合完畢，?反向電流才迅速衰減到零。?這個階段中，?電路產生強烈的過渡過程，?在關斷元件兩端產生極高的過電壓，?即換流過電壓，進而以噪聲的形式體現在輸出電壓上。
3.盡管開關電源中通常包含濾波電路（如LC濾波器、電容濾波器等）來平滑輸出電壓，但這些濾波電路可能無法完全濾除高頻噪聲和諧波。未被濾除的部分就會在輸出端形成噪聲。
4.外部環境中的電磁輻射可能通過電源線、信號線或空間耦合進入開關電源的輸出端，導致測試中出現高頻噪聲。
5.如雷電、靜電等自然現象也可能對開關電源產生干擾，導致噪聲的產生。
6.開關電源的PCB布局如果不合理，如開關器件、濾波電容、電感等關鍵元件的布局過于緊密或不合理，可能會導致電磁干擾的增加，從而增大輸出噪聲。
7.電路設計中元器件的參數選擇不當也可能導致噪聲的產生。例如，濾波電容的容量不足或ESR（等效串聯電阻）過大，都會使噪聲增大。
8.開關電源的結構設計如果不合理，如散熱不良、屏蔽措施不到位等，也可能導致噪聲的產生。
9.穩壓電源芯片輸出的電壓不穩定時，會產生一定的紋波和噪聲。這可能是由于穩壓芯片的直流輸出端產生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開關頻率的上升沿或下降沿出現錯誤等原因導致的。
（二）噪聲與紋波的區別
在工程上，在對電源進行測試時，一般并不刻意地把紋波和噪聲分開，測量的是紋波和噪聲兩者的合成干擾，用峰-峰值表示。
二、紋波噪聲測試使用設備
通常針對開關電源紋波測試，需要以下幾類設備：
1.供電電源：通常為交直流兩用線性電源，滿足ACDC、DCDC電源測試需求；
2.電子負載：直流電子負載，為開關電源模擬各類帶載情況；
3.示波器：設置好示波器，將紋波噪聲數據顯示在屏幕上；
三、紋波噪聲測試方法
紋波和噪聲是疊加在直流輸出上的周期性和隨機性交流成分，它也影響著輸出精度，一般對紋波和噪聲示波器采用峰-峰值計量(mVp-p)，紋波屬于是交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信號的輸入。
第一步，先將示波器帶寬設置為20MHz，可以有效濾除環境中耦合進的高頻干擾；
?電源輸出時，?電源自身的開關頻率會引起紋波，?而通過設置示波器的帶寬限制為20MHz，?可以有效地濾除高頻噪聲，?從而捕捉到真實的紋波情況。?這是因為電源的頻率通常較低，?而太高頻的噪聲往往是由示波器或空間輻射引起的，?并不能真正反映電源紋波的大小。?通過限制帶寬至20MHz，?可以確保測量結果反映的是電源本身的問題，?而不是外部引入的高頻干擾。
第二步，采用平行線測試法、雙絞線法或靠測法，如圖3-1 3-2。
1.平行線測試法：平行線測試法主要用于測量電源模塊或信號線的紋波噪聲。通過將測試線布置成平行線，可以模擬實際工作環境中的信號傳輸情況，從而更準確地測量紋波噪聲。
優點：
①接近實際工作環境：平行線測試法能夠模擬實際工作環境中的信號傳輸情況，提高測試結果的可靠性
②易于實施：相對于其他復雜的測試方法，平行線測試法的實施相對簡單。
注意 ：
（1）C1=1uF（高頻陶瓷電容）；
（2）C2=10uF（電解電容），耐壓值降額80%以上；
（3）兩平行線銅箔帶之間的距離為2.5mm，兩平行銅箔帶的電壓降之和應小于輸出電壓值的2%。
2.雙絞線測試法：利用雙絞線的平衡傳輸特性，減少信號傳輸過程中的串擾和干擾。在數據傳輸和信號傳輸領域，雙絞線因其良好的抗干擾性能而得到廣泛應用。
優點：
①抗干擾能力強：雙絞線的平衡傳輸特性能夠有效減少信號傳輸過程中的串擾和干擾。
②傳輸距離遠：相對于單線傳輸，雙絞線傳輸能夠支持更遠的傳輸距離。
采用30cm長、#20AWG線規組成的雙絞線與被測開關電源的Vo及0V連接，在Vo與0V之間接上阻性假負載。在雙絞線末端接一個10μF電解電容，在測量點連接時，一端接在Vo上，另一端接到0V上。
3.靠測法：主要用于屏蔽高頻噪聲干擾，以確保測試結果的準確性。在電源模塊或信號傳輸線的測試中，高頻噪聲往往會對測試結果產生顯著影響，而靠測法通過特定的測試布局和屏蔽措施，能夠有效減少這些干擾。
優點：
①減少干擾：靠測法通過物理屏蔽和布局優化，顯著降低高頻噪聲對測試結果的影響。
②提高精度：在減少干擾的基礎上，靠測法能夠提供更精確的測試結果。
