【探索DigiKey!FUN肆分享】电源纹波测量方法和处理方法

电源纹波本质是直流电压中夹杂的交流成分,其形成与电源类型密切相关。线性电源通过变压器降压后,经桥式整流和电容滤波得到直流电压,但电解电容的等效串联电阻(ESR)和充放电特性导致电压波动。开关电源则通过高频开关管(如MOSFET)的通断控制能量传输,这种脉冲调制方式必然产生与开关频率同步的高频纹波。值得注意的是,两种电源的纹波特性存在显著差异:线性电源纹波频率为100Hz(工频倍频),而开关电源纹波频率可达数十kHz至MHz级。
纹波的产生原因可能是:
开关动作噪声:开关管导通关断时产生的di/dt变化,通过PCB走线电感形成电压尖峰
电容非理想性:实际电容存在ESR和ESL(等效串联电感),在高频下呈现感性特性
磁性元件缺陷:变压器漏感、电感饱和引起的电流突变
控制环路缺陷:PWM调制精度不足导致的占空比波动
外部干扰耦合:空间电磁辐射通过寄生参数侵入电路

测量方法:
电源纹波测量需采用专业示波器配合特定连接方式以确保精度。靠连法要求将示波器探头的接地环直接接触电源负输出端,探针垂直接触正输出端,形成最短测量回路;直接法则通过专用接地引线将地线环固定于负端,利用探头前端直接测量正端电压;绞连法需在输出端连接双绞线后串联10μF电解电容与0.1μF瓷片电容构成的滤波网络,再接入示波器。测量时必须启用示波器20MHz带宽限制功能,避免高频噪声干扰,同时将探头接地线长度控制在3cm以内以减小环路电感。建议在测量点并联0.1μF C0G瓷片电容与10μF钽电容的组合滤波器,有效抑制开关毛刺与空间耦合噪声。示波器垂直灵敏度应设为1mV/div,触发模式采用交流耦合,采样率需达到开关频率的5倍以上。环境要求电磁干扰小于20dBμV,测试夹具需使用镀金探针与SMA接口减少接触阻抗。通过FFT分析可验证纹波频谱分布,典型开关电源纹波应呈现以开关频率为主频的衰减特性,而线性电源则显示100Hz基波成分。这些操作规范能有效区分真实纹波与测量噪声,确保纹波系数计算误差小于5%

抑制策略:
高频纹波:提高开关频率,优化滤波电路(如LC滤波)。
低频纹波:增大滤波电容容量,结合前级预稳压或增强闭环增益。
共模噪声:减小寄生电容,加装EMI滤波器或共模电感。
闭环环路纹波:优化环路参数,接LDO滤波,抑制调节器自激。

纹波系数(纹波电压有效值/直流电压)是评价电源性能的关键指标,需通过合理设计滤波、布线及控制策略综合抑制。

由于直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的,这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份,这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成份较为复杂,它的形态一般为频率高于工频的类似正旋波的谐波。另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合,对纹波的要求各不一样。

这几点说的比较正确,我补充一点,防止示波器烧坏,建议用两芯电源线给示波器供电

电源纹波的测量方法大致分为两种:一种是电压信号测量法;另一钟是电流信号测量法。采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先,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。