如何正确地测试纹波电压

如何正确地测试纹波电压纹波电压在产品中是一项很重要的参数，过大的纹波电压不仅会直接影响音频电路的信噪比，甚至引起电路的误动作。在实际做设计调试和测试时，我们发现很多同事并不知道如何去测试纹波，因此收集了一些网上资料结合实际经验总结出这篇文章，借此抛砖引玉。由于目前产品中大量应用开关电源和DC-DC等电路进行供电和电压转化，此类设计由于应用了开关技术使供电的效率有了本质上的提高，大大减小了功率耗散；但同时也增加了输出的交流成分，即我们所说的纹波和噪声（Ripple&Noise）。一、纹波的概念：纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值,但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的,由于滤波不干净,就会有剩余的交流成分,即便如此,就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。事实上,即便是最好的基准电压源器件,其输出电压也是有波纹的。纹波应是AC和开关频率的整倍数,用傅里叶级数展开应该是mf越高,Am越小。杂噪应该是不规则的离散波,是由非线性器件对I、V互相反复调制,在负载、输入的AC变化、温度变化都使杂噪变化,其频带可能有数十MHz到1GHz,主要以辐射的形式存在。杂噪是一种常用的通俗说法。其共性就是具有随机性。但必须注意,噪声的分布一般呈现高斯分布,即白噪声,而纹波则不是。输出纹波和输出电流和输出电压都有关系,主要是与电流的关系。通常输出纹波近似等于输出电流乘上输出滤波电容的ESR值。所以并不是滤波电容的容量越大输出纹波越小,而应该是滤波电容的ESR值越小输出纹波越小。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分,用峰-峰(peaktopeak)值表示,一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分,也用峰-峰(peaktopeak)值表示,一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成,用峰-峰(peaktopeak)值表示,一般在输出电压的2%以下。通常我们所说的纹波噪声是对电压信号而言。二、纹波噪声的成分分析：测试纹波噪声，我们需要先对纹波噪声信号的成分进行区分。如上图所示，纹波噪声可分为如下四个部分：1.由输入端频率为f的AC交流电形成频率为2f的低频纹波成分；2.由PWM开关频率调制器调制过程形成的高频纹波成分；3.与PWM纹波相同频率的开关噪声；4.由交流输入源频率和开关频率带来的其它随机杂讯噪声。实际测试的波形如下图所示（测试对象为DVD电源板5V输出纹波）：测试时我们应该将纹波和噪声区分开来。前两个是纹波，后两个是噪声。如果测试的是纹波电压，只是前两个成分，要排除噪声的影响。纹波电压的标准一般是小于标称输出电压的1％为佳。以测DVD电源板的5V输出纹波电压为例，纹波应小于50mV。实际测试波形如下（测试对象为DVD电源板5V输出纹波））：示波器显示的纹波电压峰峰值44.8mV（左下角）实际是加了噪声后的峰峰值，并不是我们所需要的纹波电压，正确的纹波电压应使用示波器的标尺工具来测量，去除噪声影响，所得纹波电压值为38.4mV，说明纹波在40mV左右。如上图右上角所示。纹波电压是纹波与噪声的纹波部分。实际上电源的规格中往往要求的是纹波与噪声值，并非单独纹波电压一项。所测的值即是示波器显示的峰峰值。电源适配器的规格书中纹波与噪声的规格就如下图所示：我们可知这个适配器的5V输出纹波与噪声最大值为80mVp-p。一般电源的纹波与噪声在标称输出的2％以下，即5V输出纹波与噪声最大值为100mVp-p。具体的纹波标准根据客户的要求来定。三、纹波电压/纹波噪声的测试方法：实际中纹波电压测试的精确度与测试环境有关，恶劣的测试环境带来的各种干扰形成的杂波信号会随探头输入到示波器影响读取结果。为减小环境影响，需要做如下的准备：1.示波器的设置：按照GB/T14714-93中的测试要求。测试示波器的带宽应大于50MHz。设置要点如下：（1）设置示波器的限制带宽为20MHz，减少环境中20MHz以上高频杂波辐射干扰；（2）衰减设置为“1x”；（3）将耦合设置为交流，此时阻抗自动调为适合交流耦合的1MΩ；（4）调整适当的示波器幅度及扫描时间；（5）设置“Measure”显示波形峰峰值。（6）示波器地悬空，防止与示波器共排插的其他仪器开关引入干扰。2.探头设置：按照GB/T14714-93中的测试要求。输入探头为1MHz/10PF。探头接地线长度小于12mm。设置要领如下：（1）使用1：1探头或将探头打到“1x”衰减；（2）探头对地并联一个10uF的电解电容和一个0.1uF的瓷片电容，这是为了减小由于引线、测试夹具、空间耦合等带来的杂讯噪声和开关干扰对测试结果造成的影响；（3）测试时不用探头自带的鳄鱼夹接地而改用探头顶部的接地点接地。这是为了减少连接鳄鱼夹的地线由于天线效应吸收空间中的辐射干扰影响测试效果。下图显示了测纹波时探头错误的接法和正确的接法：最佳的探头设置方法参考如下图所示接法：（4）最后读取示波器显示的电压峰峰值，即我们所需的纹波电压值。注意：使用探头测试时应避开或远离干扰源，如电源的初级端，减少外界杂讯噪声引入。四、Q&A1.Q:怎样减少纹波电压？A:一般纹波电压与纹波电流相关，加大输出滤波电容量及使用低等效电阻的电容都可以改善输出纹波；加大开关频率也有助于减小纹波。2.Q:怎样彻底地去除示波器显示的噪声（毛刺）？A:有必要的话在示波器探头引线上串共模电感,这样一来你一般看不到噪声(毛刺)了。_陈成辉2014.11.17