2021-08-12

最新推荐文章于 2024-09-20 22:28:41 发布

陈鋆哲

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分类专栏： PCBA性能测试文章标签：硬件工程

原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ayfen/article/details/109336548?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522162872892316780274125036%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334..%2522%257D&request_id=162872892316780274125036&biz_id=0&utm_medium=d

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本文详细介绍了电源电路中电压纹波的定义、产生原因及测试方法。纹波是直流电压中的交流成分，与负载电流、电容ESR等因素相关。测试纹波时需使用适当的探头和设置，如选择交流耦合，限制带宽，并减少耦合信号的面积。对策包括使用低阻高频电容、增加电容容值以及改善辐射干扰源。

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PCBA电源电路电压纹波测试

一.什么是电压纹波
1.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(peak to peak)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(peak to peak)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(peak to peak)值表示,一般在输出电压的2%以下。

2.如果是开关电源，输出纹波是有规律的摆动，摆动的频率等于开关频率。纹波的形成是因为电流流过输出电容，在电容的ESR(等效串联电阻)上所引起的压降，开关电源中不断地有脉动的电流流经电容，所以它的纹波的频率等于开关频率。

脉动的电压波动上叠加了突变的尖峰，这是开关电源开关信号所引起的开关噪音。因此，准确地说，电源的输出波动实际上有两个部分组成，纹波与噪音。

电源的输出波动的分解图如下：
在这里插入图片描述

3.纹波电压和噪声的形成：
纹波电压的形成与脉动电流和电容的ESR相关，所以在测试时需要分别测试不同负载电流下的纹波电压，这是基于不同的脉动电流的考量。最需要的注意的是不要人为地增加ESR，所以测试时需要在输出电容的两端就近测量，否则路径会额外增加ESR值。

噪音的形成与开关路径上的寄生电感相关，所以在测试时需要注意不能引进额外的寄生电感，否则测试所得的开关噪音会大于实际值。

二.纹波测试
1.调试校准示波器
在这里插入图片描述

2.将示波器调至x1档
10:1的探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。
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如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。这种1:1的无源探头虽然带宽不高(6MHz-12MHz左右)，但衰减比小，对于小信号测试非常合适。

3.示波器"MEASURE"(测量)键进入页面，选择耦合"交流"、带宽限制"20MHz"。
限制示波器带宽为 20MHz，目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量，尽量保证测量的准确性。
设置耦合方式为交流耦合，方便测量(以更小档位来仔细观测纹波，不关心直流电平)。
在这里插入图片描述

4.测试纹波要减小示波器探头的回路面积，减小耦合信号。
因为这个本身的夹子与地线会形成环路，像一个天线接收杂讯，引入一些不必要的杂讯。地线环的面积越大，开关过程中获取的噪声就越大。如下图所示：
在这里插入图片描述

在测试时必须移除多余闲置的探棒，避免人为地引入噪音。
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大回路面积出现的波形，如图（噪声干扰很大）图片示例，来源网络：

测量纹波时应该使用纹波帽，如图示意，这样可以保证测量路径最短，引入的噪音最少。
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测量的纹波波形如图（噪声干扰明显减小）图片示例，来源网络：
在这里插入图片描述

5.测试时，注意板上电感，变压器等干扰辐射源于空间对纹波测试结果的干扰。测量时探头要偏向无高频区域。.
(图片示例，来源网络)
在这里插入图片描述

6.测试纹波时,要在探头上并联一个47UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容（是测试纹波的一个行业国际标准）。
在输出端并联电解电容(一般是47uF)是为了隔断直流干扰,并联瓷片电容(一般是0.1uF)是为了滤掉高频干扰，这个干扰的频率远比所测的纹波频率要大，并联电容是为了虑掉杂讯（杂讯不是纹波），滤除因测试条件或手段不良附加的干扰。
在这里插入图片描述

三.纹波对策方法
纹波电压的形成与脉动电流和电容的ESR相关，因此对策方法主要从这两方面考虑。
ESR，是Equivalent Series Resistance三个单词的缩写，翻译过来就是“等效串联电阻”。 ESR的出现导致电容的行为背离了原始的定义。ESR是等效“串联”电阻，意味着，将两个电容串联，会增大这个数值，而并联则会减少之。
理论上，一个完美的电容，自身不会产生任何能量损失，但是实际上，因为制造电容的材料有电阻，电容的绝缘介质有损耗，各种原因导致电容变得不“完美”。这个损耗在外部，表现为就像一个电阻跟电容串联在一起，所以就起了个名字叫做“等效串联电阻”。
比如，我们认为电容上面电压不能突变，当突然对电容施加一个电流，电容因为自身充电，电压会从0开始上升。但是有了ESR，电容自身会产生一个压降，这就导致了电容器两端的电压会产生突变。无疑的，这会降低电容的滤波效果，从而导致了纹波的出现。

电容的阻抗计算公式如下：
在这里插入图片描述

有上述可知，电容的容抗越大就会导致电容滤波效果越差，纹波也会变大。若要改善纹波，那么由公式可以得出可以减小Xc容抗，加大交流信号频率f，加大电容容量C。

1.使用高频低阻的输出电容

2.加大输出电容的容值。

3.注意改善电路中电感、变压器和电机等会造成空间辐射干扰的器件。