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纹波:是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号。指在额定输出电压、电流的情况下,输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压,是指输出直流电压中含有的工频交流成分。
噪声:对于电子线路中所标称的噪声,可以概括地认为,它是对目的信号以外的所有信号的一个总称。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号,称为噪声。但是,一些非目的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关,因而,后来人们逐步扩大了噪声概念。例如,把造成视屏幕有白斑条纹的那些电子信号也称为噪声。可能以说,电路中除目的的信号以外的一切信号,不管它对电路是否造成影响,都可称为噪声。例如,电源电压中的纹波或自激振荡,可对电路造成不良影响,使音响装置发出交流声或导致电路误动作,但有时也许并不导致上述后果。对于这种纹波或振荡,都应称为电路的一种噪声。又有某一频率的无线电波信号,对需要接收这种信号的接收机来讲,它是正常的目的信号,而对另一接收机它就是一种非目的信号,即是噪声。在电子学中常使用干扰这个术语,有时会与噪声的概念相混淆,其实,是有区别的。噪声是一种电子信号,而干扰是指的某种效应,是由于噪声原因对电路造成的一种不良反应。而电路中存在着噪声,却不一定就有干扰。在数字电路中。往往可以用示波器观察到在正常的脉冲信号上混有一些小的尖峰脉冲是所不期望的,而是一种噪声。但由于电路特性关系,这些小尖峰脉冲还不致于使数字电路的逻辑受到影响而发生混乱,所以可以认为是没有干扰。
当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时,该噪声电压就称为干扰电压。而一个电路或一个器件,当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压,称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来,噪声很难消除,但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度,以使噪声不致于形成干扰。
谐波:是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量,一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解,其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲,由于交流电网有效分量为工频单一频率,因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。
谐波产生的原因:由于正弦电压加压于非线性负载,当电流流经负载时,与所加的电压不呈线性关系,基波电流发生畸变就形成非正弦电流,即电路中有谐波产生。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。
开关电源的噪声与纹波:
开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%;其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态,输出的纹波和噪声电压较大,一般为输出电压的1%左右(低的为输出电压的0.5%左右),最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV;而线性电源的调整管工作于线性状态,无纹波电压,输出的噪声电压也较小,其单位是μV。
减小纹波和噪声电压的措施
现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十kHz,一般是几百kHz,而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高,要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。
可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰,在电源输入端加EMI滤波器。
EMI电源滤波器起到两个低通滤波器的作用:一个是衰减共模干扰,另一个是衰减差模干扰。 EMI电源滤波器能在阻带范围内衰减射频能量,而让工频无衰减,或者很少的衰减,就能通过EMI电源滤波器。 EMI电源滤波器是电子设备设计工程师控制传导电磁干扰和辐射电磁干扰的首选工具。
2 在输出端采用高频性能好、ESR低的电容
采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的,其特点是尺寸小而电容量大,高频下ESR阻抗低,允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如,一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF,其在20℃、100kHz时的等效串联电阻(ESR)最大值为25mΩ,最大的允许纹波电流(在100kHz时)为2400mArms,其尺寸为:7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高),其型号为10TPE68M(贴片或封装)。
纹波电压ΔVOUT为:
ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)
若ΔIOUT=0.5A,ESR=25mΩ,则ΔVOUT=12.5mV。
若采用普通的铝电解电容作输出电容,额定电压10V、额定电容量100μF,在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω,最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右,无法在高频(100kHz以上的频率)下工作,再增加电容量也无效,因为超过10kHz时,它已成电感特性了。
在频率较高的时候,电容的引线电感不能忽略,尤其是大容量电容,电感更大,电感和电容是串联的,在谐振频率以下,表现为容性,在谐振频率以上就表现为感性了,这时由于感抗已经超过容抗了。这种情况的电容已经表现为电感特性了。
为减小输出噪声,电源的开关频率应与系统中的频率同步,即开关电源采用外同步输入系统的频率,使开关的频率与系统的频率相同。
在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近,则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离,减少其相互影响的干扰。
为减小模块电源的纹波和噪声,可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器,要注意的是,电容量不能过大而造起动问题,LC的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰,L采用μH极的,其直流电阻要低,以免影响输出电压精度。
在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以满足对噪声特别有要求的电路需要,由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV,则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了,并且其损耗也不大。
有源EMI滤波器可在150kHz~30MHz间衰减共模和差模噪声,并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时,可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声,在满载时效率可达99%。
输出纹波衰减器可在1~500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上,并且能改善动态响应及减小输出电容。
8 电路吸收
增加RCD吸收开关管关断时产生的电压尖峰,来减小耦合到输出端的噪声。
造成对纹波测试的几点误区:
这种认为是不正确的。输出纹波的频率和电源的开关频率相同,而开关频率目前一般从几十KHZ到几MHZ,另外由开关器件所造成的干扰也小于20MHZ,带宽限制在20MHZ,也是避免外界的高频噪声影响纹波的测试。一般情况下,模块使用说明书都会提到该模块在测试纹波时所选用的示波器测试带宽。通常没有特殊说明,纹波测试的带宽一般设定为20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ带宽限制功能。
测试方法的选择在目前是存在较大争议的,同一个模块采用不同的测试方法会得到不同的结果。目前行业内普遍流行的有靠测法、双绞线法、平行线法、50欧同轴电缆测试四种方法,其目的只有一个,就是真实客观的测试模块的输出纹波。而用户在使用中因为种种客观因素一般采用的是甩线法,就是拿示波器探头、地线夹直接接在模块的输出管脚测试,这种方法不能说不正确,但会对测试结果带来很大的不同,一般可达到上百或者几百毫伏的纹波。
示波器探头的地线长度约13cm,自身电感约为80nH,共模电流会在地线夹子上产生一定量不可忽略的尖峰电压。在实际测试时,地线夹通常会以环形出现,所以很容易接收到空间辐射。测试端子和地线夹构成的环路就像天线一样在工作,地线环的面积越大,开关过程中获取的噪声就越大,影响到纹波的正确测试。
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