示波器電源紋波分析及測試
2014/1/17 9:33:09
一、什么叫紋波？
紋波（ripple）的定義是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。
它主要有以下害處：容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會產(chǎn)生更多的危害；降低了電源的效率；較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。
二、紋波、紋波系數(shù)的表示方法
可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對量、相對量來表示；
單位通常為：mV
例如：一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為12V5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量，即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。
三、紋波的測試方法
以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK（也有測有效值的），去除示波器控頭上的夾子與地線（因為這個本身的夾子與地線會形成環(huán)路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測試；如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。
四、開關(guān)電源紋波的主要分類
開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面：輸入低頻紋波；高頻紋波；寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲；功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲；閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。
五、電源紋波測試
紋波是疊加在直流信號上的交流干擾信號，是電源測試中的一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是作特殊用途的電源，如激光器電源，紋波則是其致命要害之一。所以，電源紋波的測試就顯得極為重要。
電源紋波的測量方法大致分為兩種：一種是電壓信號測量法；另一鐘是電流信號測量法。
一般對于恒壓源或紋波性能要求不大的恒流源，都可以用電壓信號測量法。而對于紋波性能要求高的恒流源則最好用電流信號測量法。
電壓信號測量紋波是指，用示波器測量疊加在直流電壓信號上的交流紋波電壓信號。對于恒壓源，測試可以直接用電壓探頭測量輸出到負(fù)載上的電壓信號。對于恒流源的測試，則一般是通過使用電壓探頭，測量采樣電阻兩端的電壓波形。整個測試過程中，示波器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。
所用的儀器是：配有電壓測量探頭的TDS1012B示波器。
測量之前需要進(jìn)行如下設(shè)置。
1.通道設(shè)置：
耦合：即通道耦合方式的選擇。紋波是疊加在直流信號上的交流信號，所以，我們要測試紋波信號就可以去掉直流信號，直接測量所疊加的交流信號就好。
寬帶限制：關(guān)
探頭：首先選用電壓探頭的方式。然后選擇探頭的衰減比例。必須與實際所用探頭的衰減比例保持一致，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用電壓探頭放在×10檔，則此時，這里的探頭的選項也必須設(shè)置為×10檔。
2.觸發(fā)設(shè)置：
類型：邊沿
信源：實際所選擇的通道，如，準(zhǔn)備用CH1通道進(jìn)行測試，則此處就應(yīng)該選擇為CH1。
斜率：上升。
觸發(fā)方式：如果是在實時地觀察紋波信號，則選擇‘自動’觸發(fā)。示波器會自動跟隨實際所測信號的變化，并顯示。這個時候，你也可通過設(shè)置測量按鈕，實時地顯示你所需要的測量的數(shù)值。但是，如果你想要捕捉某次測量時的信號波形，則需要將觸發(fā)方式設(shè)置為‘正常’觸發(fā)。此時，還需要設(shè)置觸發(fā)電平的大小。一般當(dāng)你知道你所測量的信號峰值時，將觸發(fā)電平設(shè)置為所測信號峰值的1/3處。如果不知道，則觸發(fā)電平可以設(shè)置的稍微小一些。 耦合：直流或交流…，一般用交流耦合。
3.采樣長度（秒/格）：
采樣長度的設(shè)置決定能否采樣到所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過大時，就會漏掉實際信號中的高頻成分；當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過小時，就只能看到所測實際信號的局部，同樣無法得到真實的實際信號。所以，在實際測量時，需來回旋轉(zhuǎn)按鈕，仔細(xì)觀察，直到所顯示波形是真實的完整的波形。
4.采樣方式：
可根據(jù)實際需要設(shè)定。如，要求測量紋波的P-P值，則最好選擇峰值測量法。采樣次數(shù)也可根據(jù)實際需要設(shè)定，這與采樣頻率及采樣長度有關(guān)。
5.測量：
通過選擇對應(yīng)通道的峰值測量，示波器就可以幫你把所需要的數(shù)據(jù)及時顯示出來。同時也可以選擇對應(yīng)通道的頻率、最大值、均方根值等。
通過對示波器進(jìn)行合理設(shè)置和規(guī)范的操作，一定可以得到所需的紋波信號。但是，在測量過程中一定要注意防止其它信號對于示波器探頭自身的干擾，以免所測量的信號不夠真實。
通過電流信號測量法測量紋波值是指，測量疊加在直流電流信號上的交流紋波電流信號。對于紋波指標(biāo)要求比較高的恒流源，即要求紋波比較小的恒流源，采用電流信號直接測量法可以得到更加真實紋波信號。與電壓測量法不同的是，這里還用到了電流探頭。比如，繼續(xù)用上述的示波器，再加一個電流放大器和一個電流探頭。此時，只需用電流探頭夾住輸出到負(fù)載的電流信號，就可以進(jìn)行電流測量法來測量輸出電流的紋波信號了。與電壓測量法一樣，整個測試過程中，示波器及電流放大器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。
其實，用這種方法測量時，示波器的基本設(shè)置及用法與上述相同。不同的是，通道設(shè)置中探頭的設(shè)置有所不同。在這里，需要選則電流探頭的方式。然后，選擇探頭的比例，必須與放大器所設(shè)置的這個比例相同，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用放大器的這個比例設(shè)置為5A/V，則此時示波器的這一項也需設(shè)置為5A/V。至于電流放大器的耦合方式，當(dāng)示波器的通道耦合已經(jīng)選擇為交流耦合時，則這里選擇交流或直流都可以。
需要注意的是，用這種方法時，需先打開示波器，然后再打開電流放大器。且記得在使用前對電流探頭先消磁。
另外，測量電源紋波本身有一定技巧性。不當(dāng)使用示波器測量電源紋波首先是使用了接地線很長的示波器探針；其二是讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關(guān)元件；最后是允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。其結(jié)果帶來的問題是在測得的紋波波形中攜帶了拾取的高頻成分。
在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形，其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關(guān)節(jié)點的電場耦合、以及由變壓器交繞電容產(chǎn)生的共模電流。
采用正確的測量技術(shù)可切實改善紋波測量的結(jié)果。首先，通常會規(guī)定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應(yīng)該給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次，可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。我們把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長度，從而進(jìn)一步減少高頻拾取。
最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。要抑制這個紋波，需要在電源設(shè)計中仔細(xì)考慮共模濾波問題。
此外，把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測量誤差的共模電感�？梢钥吹�，高頻尖刺已幾乎消除。
事實上，當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后，電源紋波性能甚至?xí)谩Ｔ陔娫春拖到y(tǒng)其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的，而在芯片附近總會有作為電源負(fù)載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進(jìn)一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。
舉一個極端的例子，由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測試過程中設(shè)法利用它。
紋波（ripple）的定義是指在直流電壓或電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。
它主要有以下害處：容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會產(chǎn)生更多的危害；降低了電源的效率；較強(qiáng)的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。
二、紋波、紋波系數(shù)的表示方法
可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對量、相對量來表示；
單位通常為：mV
例如：一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為12V5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量，即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。
三、紋波的測試方法
以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK（也有測有效值的），去除示波器控頭上的夾子與地線（因為這個本身的夾子與地線會形成環(huán)路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測試；如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。
四、開關(guān)電源紋波的主要分類
開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面：輸入低頻紋波；高頻紋波；寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲；功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲；閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。
五、電源紋波測試
紋波是疊加在直流信號上的交流干擾信號，是電源測試中的一個很重要的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是作特殊用途的電源，如激光器電源，紋波則是其致命要害之一。所以，電源紋波的測試就顯得極為重要。
電源紋波的測量方法大致分為兩種：一種是電壓信號測量法；另一鐘是電流信號測量法。
一般對于恒壓源或紋波性能要求不大的恒流源，都可以用電壓信號測量法。而對于紋波性能要求高的恒流源則最好用電流信號測量法。
電壓信號測量紋波是指，用示波器測量疊加在直流電壓信號上的交流紋波電壓信號。對于恒壓源，測試可以直接用電壓探頭測量輸出到負(fù)載上的電壓信號。對于恒流源的測試，則一般是通過使用電壓探頭，測量采樣電阻兩端的電壓波形。整個測試過程中，示波器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。
所用的儀器是：配有電壓測量探頭的TDS1012B示波器。
測量之前需要進(jìn)行如下設(shè)置。
1.通道設(shè)置：
耦合：即通道耦合方式的選擇。紋波是疊加在直流信號上的交流信號，所以，我們要測試紋波信號就可以去掉直流信號，直接測量所疊加的交流信號就好。
寬帶限制：關(guān)
探頭：首先選用電壓探頭的方式。然后選擇探頭的衰減比例。必須與實際所用探頭的衰減比例保持一致，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用電壓探頭放在×10檔，則此時，這里的探頭的選項也必須設(shè)置為×10檔。
2.觸發(fā)設(shè)置：
類型：邊沿
信源：實際所選擇的通道，如，準(zhǔn)備用CH1通道進(jìn)行測試，則此處就應(yīng)該選擇為CH1。
斜率：上升。
觸發(fā)方式：如果是在實時地觀察紋波信號，則選擇‘自動’觸發(fā)。示波器會自動跟隨實際所測信號的變化，并顯示。這個時候，你也可通過設(shè)置測量按鈕，實時地顯示你所需要的測量的數(shù)值。但是，如果你想要捕捉某次測量時的信號波形，則需要將觸發(fā)方式設(shè)置為‘正常’觸發(fā)。此時，還需要設(shè)置觸發(fā)電平的大小。一般當(dāng)你知道你所測量的信號峰值時，將觸發(fā)電平設(shè)置為所測信號峰值的1/3處。如果不知道，則觸發(fā)電平可以設(shè)置的稍微小一些。 耦合：直流或交流…，一般用交流耦合。
3.采樣長度（秒/格）：
采樣長度的設(shè)置決定能否采樣到所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過大時，就會漏掉實際信號中的高頻成分；當(dāng)所設(shè)置的采樣長度過小時，就只能看到所測實際信號的局部，同樣無法得到真實的實際信號。所以，在實際測量時，需來回旋轉(zhuǎn)按鈕，仔細(xì)觀察，直到所顯示波形是真實的完整的波形。
4.采樣方式：
可根據(jù)實際需要設(shè)定。如，要求測量紋波的P-P值，則最好選擇峰值測量法。采樣次數(shù)也可根據(jù)實際需要設(shè)定，這與采樣頻率及采樣長度有關(guān)。
5.測量：
通過選擇對應(yīng)通道的峰值測量，示波器就可以幫你把所需要的數(shù)據(jù)及時顯示出來。同時也可以選擇對應(yīng)通道的頻率、最大值、均方根值等。
通過對示波器進(jìn)行合理設(shè)置和規(guī)范的操作，一定可以得到所需的紋波信號。但是，在測量過程中一定要注意防止其它信號對于示波器探頭自身的干擾，以免所測量的信號不夠真實。
通過電流信號測量法測量紋波值是指，測量疊加在直流電流信號上的交流紋波電流信號。對于紋波指標(biāo)要求比較高的恒流源，即要求紋波比較小的恒流源，采用電流信號直接測量法可以得到更加真實紋波信號。與電壓測量法不同的是，這里還用到了電流探頭。比如，繼續(xù)用上述的示波器，再加一個電流放大器和一個電流探頭。此時，只需用電流探頭夾住輸出到負(fù)載的電流信號，就可以進(jìn)行電流測量法來測量輸出電流的紋波信號了。與電壓測量法一樣，整個測試過程中，示波器及電流放大器的設(shè)置是能否采樣到真實信號的關(guān)鍵。
其實，用這種方法測量時，示波器的基本設(shè)置及用法與上述相同。不同的是，通道設(shè)置中探頭的設(shè)置有所不同。在這里，需要選則電流探頭的方式。然后，選擇探頭的比例，必須與放大器所設(shè)置的這個比例相同，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實的數(shù)據(jù)。比如，所用放大器的這個比例設(shè)置為5A/V，則此時示波器的這一項也需設(shè)置為5A/V。至于電流放大器的耦合方式，當(dāng)示波器的通道耦合已經(jīng)選擇為交流耦合時，則這里選擇交流或直流都可以。
需要注意的是，用這種方法時，需先打開示波器，然后再打開電流放大器。且記得在使用前對電流探頭先消磁。
另外，測量電源紋波本身有一定技巧性。不當(dāng)使用示波器測量電源紋波首先是使用了接地線很長的示波器探針；其二是讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關(guān)元件；最后是允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。其結(jié)果帶來的問題是在測得的紋波波形中攜帶了拾取的高頻成分。
在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形，其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關(guān)節(jié)點的電場耦合、以及由變壓器交繞電容產(chǎn)生的共模電流。
采用正確的測量技術(shù)可切實改善紋波測量的結(jié)果。首先，通常會規(guī)定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應(yīng)該給用于測量的示波器設(shè)定合適的帶寬上限。其次，可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。我們把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強(qiáng)度電磁輻射中的探針長度，從而進(jìn)一步減少高頻拾取。
最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產(chǎn)生的，這就使得在電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降，表現(xiàn)為紋波。要抑制這個紋波，需要在電源設(shè)計中仔細(xì)考慮共模濾波問題。
此外，把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產(chǎn)生的測量誤差的共模電感�？梢钥吹�，高頻尖刺已幾乎消除。
事實上，當(dāng)電源集成到系統(tǒng)中之后，電源紋波性能甚至?xí)谩Ｔ陔娫春拖到y(tǒng)其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導(dǎo)線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的，而在芯片附近總會有作為電源負(fù)載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應(yīng)并進(jìn)一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。
舉一個極端的例子，由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構(gòu)成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實降低紋波。聰明的工程師應(yīng)該在測試過程中設(shè)法利用它。
