直流電源電壓紋波的測(cè)量方法介紹

　　如何操作指南

　　總結(jié)

　　為了覆蓋不同直流電源紋波性能測(cè)試的需求，研究了各類電壓紋波測(cè)量方法和測(cè)量系統(tǒng)。每套測(cè)量方法都基于測(cè)量?jī)x器的性能和實(shí)測(cè)驗(yàn)證結(jié)果，簡(jiǎn)要地總結(jié)和比較了各種測(cè)量方法和設(shè)備的優(yōu)劣勢(shì)，便于測(cè)量人員根據(jù)不同的測(cè)試條件選擇最優(yōu)的測(cè)試方案。

　　描述

　　隨著科技的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的性能逐步提高，工程師設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于超低功耗(Ultra-Low Power)以及超高數(shù)據(jù)速率的極致追求，延續(xù)了直流電源輸出電壓越來越低和精度要求越來越高的趨勢(shì)。

　　這種趨勢(shì)讓電源設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，絕大多數(shù)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師都需要考慮信號(hào)的完整性問題。開關(guān)電源中濾波電路的缺陷以及開關(guān)管道通斷產(chǎn)生的高頻噪聲,不僅會(huì)引起紋波噪聲，而且有可能引發(fā)干擾和故障。在數(shù)字電路中，直流電源的噪聲也會(huì)是系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的重要貢獻(xiàn)者。因此，準(zhǔn)確測(cè)量直流電源的紋波噪聲，將會(huì)對(duì)電源設(shè)計(jì)工程師更高的基本要求。

　　電源紋波

　　無論是線性電源還是開關(guān)電源，電源輸出的直流電壓都是由交流電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的，由于濾波的不干凈，導(dǎo)致電源輸出直流電壓上包含紋波噪聲。

　　紋波噪聲是直流電壓(電流)上的雜波信號(hào)，包含周期和隨機(jī)兩種分量。周期分量的頻率通常 由開關(guān)頻率的基波和諧波組成，隨機(jī)分量主要由開關(guān)管道導(dǎo)通或截止瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖以及外界干擾產(chǎn)生。

　　紋波噪聲主要包括低頻紋波噪聲，高頻紋波噪聲，共模噪聲以及控制回路引起的紋波噪聲。低頻紋波主要由供電電源工頻及其諧波成分組成，幅值比較小，容易濾除。高頻紋波主要是開關(guān)管道在導(dǎo)通或截止的過程中產(chǎn)生高頻干擾，通常幅值比低頻紋波大得多。開關(guān)電源的頻率越高，輸出濾波器電感電容值越大，高頻紋波越小。功率器件與散熱器底板和變壓器原副邊以及導(dǎo)線之間存在寄 生電容電感，當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。同時(shí)控制電路的非線性也會(huì)造成電路震蕩，產(chǎn)生紋波噪聲。

　　紋波噪聲的危害和抑制

　　紋波是一種復(fù)雜的雜波信號(hào)，它是圍繞著輸出的直流電壓來回波動(dòng)的信號(hào)，周期和振幅隨著時(shí)間不斷變化，并且不同電源的紋波也各不相同。但是一般來說紋波是有百害而無一利的。電源中攜帶的紋波會(huì)在電器上產(chǎn)生諧波，降低電源的使用效率。而高頻紋波噪聲還可能產(chǎn)生浪涌，導(dǎo)致電氣設(shè)備非正常運(yùn)行，加速設(shè)備老化。在數(shù)字電路中，紋波會(huì)干擾電路的邏輯關(guān)系，給通信、測(cè)試和計(jì)量帶來噪聲干擾，影響信號(hào)的正常測(cè)量，甚至損壞設(shè)備。

　　直流電源的電壓紋波測(cè)量

　　電源輸出電壓攜帶紋波噪聲是不可避免的，而紋波噪聲的危害又是很大的，因此電源制造商，都要考慮將紋波降低到百分之幾以下，對(duì)紋波要求高的設(shè)備要考慮把紋波降低到更小。除了電源設(shè)計(jì)的時(shí)候要降低紋波噪聲之外，紋波對(duì)于評(píng)估電源性能也是一個(gè)重要的指標(biāo)，因此在電源測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域，如何測(cè)量電源紋波是一直在探索和討論的課題。

　　單端示波器的紋波測(cè)量方法

　　對(duì)于紋波指標(biāo)要求不高的低壓電源，示波器直接測(cè)量就可以滿足要求。通常采用單端示波器測(cè)量方法。為了避免地環(huán)流在示波器輸入端引入誤差，連接線路采用單端接地，即電源端不接地，示波器端接地， 如圖-1，連線圖僅為紋波測(cè)量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

　　圖-1 單端示波器測(cè)量紋波電路連接圖

　　一般示波器的輸入電壓范圍在40V以內(nèi)，鑒于示波器的輸入電壓范圍，一般在直流電源和示波器之間會(huì)增加RC模塊，同時(shí)設(shè)置示波器輸入阻抗為1 M Ω，以保護(hù)示波器不被過高的直流電壓損壞。示波器設(shè)置交流耦合方式，濾除被測(cè)信號(hào)的直流分量，示波器僅觀察被測(cè)信號(hào)的交流分量，同時(shí)示波器選擇更小的垂直檔位，可以觀察電源紋波的細(xì)節(jié)，示波器上可以直接讀取紋波的峰峰值和有效值。

　　2. 帶差分放大器的示波器測(cè)量方法

　　對(duì)于紋波指標(biāo)要求高的直流電源，示波器的垂直分辨率不夠或者測(cè)量精度不高，示波器直接測(cè)量的方法就無法滿足指標(biāo)的要求了，一般會(huì)選擇對(duì)被測(cè)的紋波信號(hào)進(jìn)行放大測(cè)量的方法，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。例如在示波器與直流電源之間加入差分放大器，一方面可以隔斷直流分量，另一方面可以放大測(cè)量的紋波信號(hào)，提高測(cè)量準(zhǔn)確度，如圖-2，連線圖僅為紋波測(cè)量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

　　圖-2 帶差分放大器的測(cè)量紋波電路連接圖

　　因?yàn)椴罘址糯笃鞯脑O(shè)置，有可能限制輸入共模信號(hào)的電壓范圍，為了防止高電壓損壞儀器，可以在前端加RC濾波電路，并且設(shè)置差分放大器為AC耦合模式。示波器上的讀數(shù)值需要乘以差分放大器的有效增益，得到直流電源的紋波峰峰值和有效值。

　　3. 帶差分傳感器的波形分析儀測(cè)量方法

　　除了通用的示波器測(cè)量電源紋波以外，我們研究了低噪聲波形信號(hào)分析儀的測(cè)量方法。使用Keysight CX3322A 波形分析儀和Keysight CX1105A 電流/電壓低噪聲差分傳感器，也可以實(shí)現(xiàn)直流電源的電壓紋波測(cè)量。線路連接圖如圖-3。連線圖僅為紋波測(cè)量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

　　圖-3波形分析儀紋波測(cè)量線路圖

　　這也是一種差分測(cè)量方法，并且測(cè)量系統(tǒng)引入的底噪非常低。根據(jù)測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)手冊(cè)，當(dāng)選擇20 MHz 帶寬限制的時(shí)候，25 mV 量程的底噪有效值只有20 μV，它只有示波器的十分之一，并且測(cè)量系統(tǒng)具有比較好的平坦度。因此，這也是非常理想的直流電源紋波測(cè)量方案。

　　只是CX1105A的共模直流電壓范圍很窄，只有5~6 V，因此需要在差分傳感器前端加上RC濾波電路，一方面可以阻斷直流共模電壓，保護(hù)差分傳感器不被高壓損壞，另一方面匹配合適的電阻，降低差分傳感器前端的輸入阻抗，可以有效地降低交流共模噪聲。波形分析儀上的讀數(shù)即為測(cè)量紋波的峰峰值和有效值。

　　4. 高壓直流電源的紋波測(cè)量方法

　　以上三種測(cè)量方案只適用于200V以下的直流電源，但是目前高壓直流電源越來越多，如何測(cè)量高壓紋波也越來越受到關(guān)注。

　　1)帶無源高壓探頭的示波器測(cè)量方法

　　這是最常用的高壓信號(hào)的測(cè)量方法，選擇與示波器匹配的無源高壓探頭，例如Keysight 10073C10:1 探頭和10076C 100:1探頭。示波器可以根據(jù)連接的探頭，進(jìn)行自動(dòng)修正，示波器上讀取的數(shù)據(jù)即為測(cè)量紋波的峰峰值和有效值。在測(cè)量開始之前，高壓探頭一定要做低頻補(bǔ)償，保證測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　雖然衰減比率越大，輸入電壓就可以越高，比如10073C 最高輸入電壓可以到500 V峰值，而10076C 可以到2000 Vpk 以上，但是衰減比率越大，探頭輸入端的靈敏度越高，示波器底噪被放大得越大。因此，對(duì)于紋波要求不高的500 V峰值以上的高壓測(cè)量，可以使用10076C 100:1 探頭進(jìn)行測(cè)量，500V峰值以下的高壓測(cè)量，盡量選擇10073C 10:1探頭進(jìn)行測(cè)量。

　　2)優(yōu)化的帶高壓探頭的示波器測(cè)量方法

　　對(duì)于紋波要求高的高壓測(cè)量，可以增加差分放大器，來提高測(cè)量精度，抑制測(cè)量系統(tǒng)的底噪。如圖-4。

　　圖-4帶差分放大器的高壓紋波測(cè)量線路圖

　　可以根據(jù)直流電壓大小和測(cè)量紋波的指標(biāo)，選擇10:1 或者 100:1探頭，不管選擇哪一種探頭，測(cè)量系統(tǒng)的底噪性能都比直接接示波器要好很多。測(cè)量系統(tǒng)的平坦度在20 MHz被測(cè)頻率范圍低于5%。優(yōu)化的高壓紋波測(cè)量方案非常適用于高電壓高精度的紋波測(cè)量。

　　總結(jié)

　　對(duì)于文章中列出的集中直流電壓紋波測(cè)量方案，各有優(yōu)勢(shì)和不足，并不能說哪一種是絕對(duì)完美的方案，每一種方案都有不同的測(cè)量條件和適用范圍。因此，測(cè)量人員可以根據(jù)測(cè)量范圍和精度要求，選擇一種最簡(jiǎn)單和適用的測(cè)量方案。

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