电源纹波的测量和抑制

摘要：本文介绍了电源电压纹波和纹波系数的概念。提出四种抑制电源纹波的方法：RLC滤波法、共模滤波法、铁氧体磁环滤波法以及组合滤波法。通过实验得到四种方法的滤波效果，并总结了它们的优缺点。通过比较得出，使用组合滤波方法可以有效降低电源纹波。

引言

　　电源的主要作用是为电子产品提供电能，但供电的同时不可避免地会引入纹波、噪声等，使电子系统甚至整个产品的稳定性和可靠度降低。电压纹波能极大地影响到电源的各个电路，如A/D变换电路、运算放大电路、整流滤波电路等。通常的应用中有以下危害：产生不期望出现的谐波而造成过压或过流引发事故;增加附加损耗，降低用电设备的效率和利用率;使设备运行不正常、加速老化、缩短寿命;使继电保护、自动装置、计算机系统等设备运转不正常或不能正常动作;使测量和计量仪器仪表出现偏差;干扰通信系统，降低信号传输质量，甚至损坏通信设备。因此，在设计电子产品时，需要准确地测量纹波，并将纹波抑制在一定范围内。

1 电源纹波及纹波系数

　　严格来讲，稳压电源包括电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分。由于DC-DC也可看作是一种稳压电源，所以把整流电路、滤波电路和稳压电路看成是稳压电源的必要三部分^[1]。整流电路是利用单向导电器件将交流电转换成脉动直流电，脉动直流电不平滑，含有大量交流电成分。滤波电路是利用储能元件把脉动直流电转换成比较平坦的直流电，由于滤波电路性能各异，虽可以滤去大部分的交流电成分，但不能完全滤除。整流滤波后的稳压电路是利用电路的调整作用使输出电压稳定，使交流电成分降低到最小。这种伴随稳定电压输出的不能完全滤除的交流电成分叫纹波电压。

　　为了表征直流稳压电源滤波的性能，引入纹波系数的概念^[2-3]。定义纹波系数ψ为纹波电压有效值Vr与直流输出电压Vo的百分比值，即：

　　纹波系数是评价直流电源稳定纯净输出的重要指标。根据上式可知，求纹波系数需测量纹波电压。

2 电源纹波的测量

　　准确测量电源纹波一般需要两种仪器，即电子负载(Electronic Load)和数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)。电子负载方便调整电流，一般设定在恒阻模式(CR);数字存储示波器能直接捕获整个纹波波形，存储放大并读出纹波数值。将示波器读值代入公式，可得到纹波系数。

　　测量时，必须要注意以下两点(这两点对测量结果的准确性尤为重要)：

　　(1)数字存储示波器的探头地线必须拔掉，改用探头组件中的接地弹簧针。可以防止出现地环路耦合进EMI噪声，使测量结果不准确。如图1所示，探头地线过长且环路面积过大，形成了接收天线、高频杂波或EMI噪声会耦合进所测信号。

　　图2所示为安装接地弹簧针的探头，环路面积大大减小，使测量更为准确。

　　(2)数字存储示波器本身需要调整设置。数字存储示波器需有良好的接地，进一步滤去从电源端附加进来的杂波;使用数字存储示波器的交流耦合，阻挡直流，使纹波测试更为直观准确;一般的纹波测试都要求频率限制在20MHz以下，因此数字存储示波器应打开20MHz带宽限制，隔离高频噪声。

3 抑制电源纹波的方法

　　抑制稳压电源输出电压的纹波，一般采取的方法有以下四种：RLC滤波法、共模滤波法、铁氧体磁环滤波法以及三种方法的组合。

　　通过实验验证说明抑制DC-DC电源纹波的滤波电路。验证实验中选取100W DC-DC电源，48V输入，5V输出，型号为Meanwell的SD-100C-5。数字存储示波器选择GWINSTEK的GDS-1072B，带宽为70MHz，采样率为1GSa/s，每通道存储深度最高为10M。电子负载选择GWINSTEK的PEL-3021，电压范围为1.5V~150V，电流范围为0~35A，功率为175W。据此计算可知，电路中最大电流为20A。图3为电源纹波测试的连接框图。

　　为了使抑制电源纹波的效果更直观明显，先将SD-100C-5的滤波电路短接，测量其输出电压的纹波。从图4中可以得到，电源纹波大致为85.6mVpp，有效值为48.2mVrms。

3.1 RLC滤波法

　　RLC滤波法不一定把电阻、电感器和电容器都用上，根据理论计算和经验值，可以采取单独电容滤波法以及电感电容组合滤波法，都可取得比较理想的滤波效果。本文为了简要说明RLC滤波设计，以单独电容滤波法举例操作阐明其有效性。在SD-100C-5电源输出端加载由0.1μF和47μF两个电容并联而成的电容滤波器。开启电源，把电子负载的输出电流调节到20A。用数字存储示波器测量输出电压纹波，纹波大小如图5所示。电源纹波大致为18.4mVpp，有效值为10.2mVrms，和无滤波电路相比，电源输出纹波减小。

　　如采用LC组合滤波法，在电源输出端并联一个150μF电容器，在输出端正负极各串一个6μH的电感器，也能得到类似的结果，和单独的电容滤波法相比有进步，但结果相差不大。

3.2 共模滤波法

　　在SD-100C-5电源输出端加共模扼流圈以及Y电容器去耦，衰减共模纹波。扼流圈中的寄生电感形成LC滤波器，滤除差模纹波。如图6是采用共模滤波法的电路图。

　　开启电源，把电子负载的输出电流调节到20A。用数字存储示波器测量输出电压纹波，纹波大小如图7所示。电源纹波大致为13.2mVpp，有效值为9.14mVrms。相比RLC滤波法，输出纹波减少了5.2mVpp。

　　共模扼流圈是在闭合磁环上绕制方向相反、匝数相同的线圈。当有共模电流流过线圈时，会产生同向的磁场从而增大线圈的感抗，表现为较强的阻尼作用，从而抑制共模电流，达到滤除纹波的目的^[4]。虽然从以上比较可以看出共模滤波法比RLC滤波法更有效，但值得注意的是，共模扼流圈体积比电容器或电感器要大几倍，如果考虑电源电路板的有效面积，尤其是开关电源功率密度要求很高时，则无法使用共模扼流圈。

3.3 铁氧体磁环滤波法

　　在SD-100C-5电源输出端的电源接线上直接穿绕一个铁氧体磁环，如图8所示。为了更能说明滤波效果，选用TDK的夹扣式铁氧体磁环。开启电源，把电子负载的输出电流调节到20A。用数字存储示波器测量输出电压的纹波，纹波大小如图9所示。电源纹波大致为12.4mVpp，有效值为10.1mVrms。和共轭滤波法相比非常接近，但铁氧体磁环简单，可以根据电源的尺寸要求做相应的定制。因此它目前已广泛应用在印制电路板、数据线和电源线的滤波上。

　　铁氧体磁环的使用频率从1kHz到100MHz，主要用在高频的尖波抑制、杂波滤除和EMI滤波。铁氧体磁环在低频段主要表现为感抗，滤波效果不是很明显;在高频段时，阻抗由电阻成分构成。当高频信号通过铁氧体磁环时，电磁干扰被吸收并转换成热能的形式耗散掉。因此，铁氧体磁环要尽量安装在靠近干扰源的地方。它们在线路中对高频成分所呈现的电阻大约是十至几百Ω，因此，它在高阻抗电路中的作用并不明显，相反，在低阻抗电路(如功率分配、电源或射频电路)中使用将非常有效。

3.4 组合滤波法

　　实际的电源滤波电路设计中，为了使滤波效果更好，一般选择几种滤波方法的组合。其中比较简单有效的办法是电容滤波法和铁氧体磁环的组合，在SD-100C-5电源输出端并联一个电容滤波器，在电源输出线上穿绕铁氧体磁环。开启电源，调节电子负载，使其电流输出达到20A。用数字存储示波器测量输出电压纹波，纹波大小如图10所示。电源纹波大致为8.80mVpp，有效值为8.35mVrms。和以上三个滤波方法相比，组合滤波法效果最明显。

　　通过表1比较分析可得，使用组合滤波法抑制电源纹波后，电源纹波电压为8.80mVPP，有效值为8.35mVrms，纹波系数为0.167%，远低于0.5%，达到的滤波效果是比较好的。RLC滤波和铁氧体滤波效果差不多，纹波系数分别为0.204%和0.202%，效果劣于共模滤波。同时考虑共模扼流圈的体积，其应用范围受到限制。当把RLC滤波法和铁氧体磁环滤波法组合时，其抑制电压纹波效果最好。由于RLC滤波法和铁氧体磁环滤波法都简单而易于操作，所以在设计滤波电路时，应权衡系统对电源的要求和预算的大小，重点采用这两种滤波方法或其组合。

　　现在的电子产品由于体积的要求越来越严格，其电源部分大都采用开关电源模块。因此电源设计工程师一定要考虑开关电源的纹波抑制和电路板的合理布局。本文提出的滤波方法，为电源设计工程师提供了一定的参考，可以综合考虑所设计的电源大小、技术要求、用途和预算，恰当地选择合适的滤波方法，设计出符合市场需求的合格电源。

4 结论

　　通过以上实验和分析可以得到常用滤波方法的组合，能有效抑制电源纹波。在滤波电路设计比较严格和预算准许的情况下，可以采用组合滤波法抑制电源纹波，从而提高电源的稳定性与可靠性。

参考文献：

　　[1]吴润宇，轩荫华.稳定电源[M].北京：人民邮电出版社，1984：20-25

　　[2]徐焕溶.直流稳压电源的纹波测量问题[J].计测技术，2008，28(5)： 67-69

　　[3]同金，马煜峰.直流电源输出的纹波和噪声的测量[J].电子测试，2010(2): 88-90

　　[4]远坂俊昭.测量电子电路设计[M].彭军，译.北京：科学出版社，2006： 179-189

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第4期第45页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。