开关电源纹波与噪声的抑制和测量方法_全建波.pdf

2022年第46卷第10期118器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式：全建波，陆强.开关电源纹波与噪声的抑制和测量方法 J.电声技术，2022，46（10）：118-120.QUAN J B，LU Q.Suppression and measurement of ripple and noise in switching power supplyJ.Audio Engineering，2022，46（10）：118-120.中图分类号：TN912.2 文献标识码：A DOI：16311/j.audioe.2022.10.033开关电源纹波与噪声的抑制和测量方法全建波1，2，陆 强1，2（1.西安导航技术研究所，陕西 西安 710068；2.中电科瑞测（西安）科技服务有限公司，陕西 西安 710068）摘要：开关电源在切换的过程中，会产生浪涌电压、电流、纹波及噪声问题。较大的纹波及噪声会对相关电子设备带来极大的干扰。对此，就开关电源纹波与噪声产生的原因、抑制方法、防护及测量等进行探讨，以期在模块设计、产品应用过程中采取合理的方式及方法，合理选用电源滤波器，充分发挥开关电源的诸多优点，最大限度地抑制其缺点。关键词：纹波；噪声；共模；差模；插入损耗Suppression and Measurement of Ripple and Noise in Switching Power SupplyQUAN Jianbo1,2,LU Qiang1,2(1.Xian Navigation Technology Research Institute,Xian 710068,China;2.Zhongdian Kerui(Xian)Technology Service Co.,Ltd.,Xian 710068,China)Abstract:In the switching process of switching power supply,there will be surge voltage,current,ripple and noise problems.Large ripple and noise will cause great interference to relevant electronic equipment.In this regard,this paper discusses the causes,suppression methods,protection and measurement of switching power supply ripple and noise,with a view to adopting reasonable methods and methods in the process of module design and product application,reasonably selecting power filter,giving full play to many advantages and disadvantages of switching power supply,and minimizing its disadvantages.Keywords:ripple;noise;common mode;differential mode;insertion loss1 纹波与噪声的产生1.1 产生原因开关式电源纹波及噪声产生的原因主要有两个方面。一是工频的电源整流波形，另一个则是开关电源的开关操作波形。此类波形的电流一旦泄露到输入部位1，就会形成传导噪声或辐射噪声；泄露到输出部位，就形成了纹波。1.2 传输路径纹波噪声按其干扰波的传输路径不同，可分两大类：以线路传播为主的传导噪声及向空中辐射电磁波的辐射噪声，如图 1 所示。传导噪声主要是指频率在 30 MHz 以下的干扰信号，因其波长较长，不易向空中辐射电波。而辐射噪声主要是指频率在30 MHz 以上的噪声。因 30 MHz 噪声的波长较短，容易向空中辐射噪声 2。电源噪声输出纹波输入传导噪声辐射噪声整流波形的噪声开关电路谐波噪声开关电路基波噪声电源电路内部产生的噪声电子电路的通过噪声图 1 电源的纹波与噪声纹波噪声一旦产生，就会成为外部噪声入侵电子设备的通道，或者成为负载噪声向外扩散的通道。因此，开关电源在设计时，必须考虑具有防止噪声通过的能力。2 纹波与噪声常用的抑制方法纹波与噪声的产生，是由于开关电源基本工作原理造成的，是不可能消除的，但可以通过技术手2022年第46卷第10期119Parts and ApplicationS器 件 与 应 用段控制纹波与噪声，使其可以达到可接受的程度。控制纹波与噪声的方法通常可分为以下几种：（1）电路技术，通过电路技术设计不易产生噪声的电路；（2）零件技术，设计不易产生噪声的零件或不会传导噪声的零件；（3）布线技术，使已产生的噪声不易扩散；（4）滤波技术，通过滤波，使已产生的噪声不易向外部传导；（5）屏蔽技术，使已产生的噪声不易向外部辐射。2.1 电路技术电路技术就是要在电路设计过程中，抑制开关频率及其谐波产生的噪声。一种软开关设计技术在开关电源设计中被广泛关注，其原理是利用 LC谐振，当主开关的电压成为零状态时，执行选通信号输入，此时开关两端的电压是由 LC 振荡电路决定的，因此其具有一定梯度执行开关的接通与关断操作，故无论是接通或关断状态，都不易产生暂态性的振荡，故也不易产生噪声。而且其波形属于梯形波，谐波成分较少，是不易产生噪声的技术。2.2 零件技术零件选用技术是指选用不易产生噪声的元器件。电源模块设计会选用变压器、电容、电感、二极管等器件。以二极管选用为例，当二极管内有电流流过时，在加反向电压执行关断时，二极管会延迟一段时间后再执行关断工作。这个延迟时间就是二极管的恢复时间。一般二极管的恢复时间为几百纳秒，高速恢复二极管的恢复时间在一百纳秒以下。由于这个恢复时间的存在，二极管在关断时，因其内部还有反向电流，就会形成冲击电压从而形成噪声。选用肖特基二极管就会较好地解决这个问题。肖特基二极管的恢复时间几乎可以忽略不计。一般肖特基二极管的恢复时间在几十皮秒级甚至更小，能很好地抑制因恢复时间而产生的噪声问题。2.3 布线技术布线技术是通过印制板布线技术，将产生噪声的地方抑制衰减，使其不至于传到地线或其他地方，或者是对不产生噪声的地方，通过布线技术，使布线或零件不至于拾取噪声。对于已拾取的噪声，则要求不至于扩散。在设计时，常在靠近噪声源的地方设计环路技术，可对噪声产生较好的抑制衰减作用。对于已产生的噪声，要让其不至于传导或扩散，采用滤波技术也是常采取的一种设计方法。方法就是在连接线上接入高频的滤波器，可抑制高频噪声的扩散传导。2.4 屏蔽技术屏蔽技术分为易发出电磁波电路屏蔽和易受电磁波干扰电路屏蔽两种。对于易发生电磁波的零件如变压器等绕组类器件，在其周围布薄铜板作为屏蔽，可以使其电磁波产生衰减。在易受电磁干扰电路方面也可采取此方法 3。屏蔽效果最好的办法是整体屏蔽，即利用导电性较好的导体将要屏蔽的电路整体围起来，但如焊缝、导线的引出孔等部位均易产生电磁泄露，而且不利于电源模块的散热 4。2.5 滤波技术如前文所述，开关式电源模块本身就是一个噪声源，其噪声的产生是不可避免的，尽管在设计上有诸多技术可以采用，但每种技术都不是完美的，都有限制条件，只能在一定程度上抑制纹波及噪声的程度。特别是开关电源的小型化，其基本的措施就是提高开关电源的开关频率。一旦开关频率提高，其噪声也随之提高，仅靠电源模块本身的设计还不能满足电子设备对噪声抑制的要求。采用电源滤波器是一种较好的抑制电源噪声的方式。电源滤波器对传导噪声有较好的抑制效果，对辐射噪声也有一定的抑制作用。通用的电源滤波器可以看作是一个低通网络，由电容、电感等无源器件组合而成。电源滤波器根据电路结构可分为 T型、L 型和 型等电路形式。电源滤波器通过低于截止频率的工作信号抑制高于截止频率的干扰信号，从使用环境来看，电源滤波器使用时必须考虑源端及负载端的阻抗对电源滤波器的影响，而且在使用中必须结合接地技术及屏蔽措施才能达到较好的抑制噪声的效果。电源滤波器的主要参数有额定电压、额定电流、插入损耗、漏电流及耐压等参数。其中，额定电压和额定电流是电源滤波器在规定频率、规定温度下允许最大连续工作的电压和电流，是电源滤波器选用的主要参考参数。电源滤波器的漏电流是指电源滤波器的相线或中线与地（地线）之间流过的电流。它与滤波器的共模电容（接地电容）相关。较大的共模电容可2022年第46卷第10期120器 件 与 应 用arts and ApplicationsP以提高插入损耗，但却会造成较大的漏电流。而较大的漏电流会造成较大的功耗及安全性问题，必须在设计时综合考虑。电源滤波器的耐压也是其主要指标，关系到滤波器的性能及设备和人身安全。线线之间的耐压性能关键器件就是滤波器的差模电容。若差模电容的耐压欠佳，在出现峰值浪涌电压时有可能会被击穿，它的击穿虽不会危及人身安全，但会使滤波器性能丧失或下降。值得注意的是，根据 军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量（GJB 151B 2013）中 CE102 项目的规定，电源滤波器的频率范围为 10 kHz 10 MHz。随着现代电源模块开关频率的不断提高，其产生的噪声频率也不断提高。越来越多的实践表明，线上高于 10 MHz 以上的频段，仍会存在较强的传导干扰，因此在选择电源滤波器时，可以考虑选择频率范围更宽的滤波器。3 纹波与噪声的测量测量电源模块的纹波与噪声参数，可以选用测试系统进行测试，如至茂公司的 Chroma8000 系统，配有专门的纹波噪声测试仪，也可以用示波器直接测试。由于纹波及噪声测试在测试过程中对接入的方式要求较高，因此，不同测试方法的测试结果会有差异。下面就两种方法的测试进行讨论。根据 混合集成电路 DC/DC 变换器测试方法（SJ 20646-1997）中的规定，纹波噪声测试电路如图 2 所示。测试步骤如下：（1）在规定的环境温度下，将被测模块接入测试系统中；（2）将测试图中的开关 S 置于“1 2”，S1 置断开位置，S2 置闭合位置，使被测模块的输入端加入规定的输入电压 VI；（3）将测试图中的开关 S 置于“3 4”位置，调节电位器 RL使输出电流达到 IO即满载状态；（4）按测试要求调整好示波器的带宽，直接在示波器上读出模块输出的交流分量峰峰值，即为纹波噪声的输出值。用示波器法测量电源模块的纹波与噪声时，为防止外界对测试结果的影响，要使示波器的接线端子的地线尽可能靠近电源模块的输出地。地线的测试用铜制或铝制的金属环，长度尽量不要超过 10 cm。用测试系统测试电源模块的纹波与噪声相对简单。按测试技术指标的要求，对电源模块进行测试程序编程，设置好电源模块的测试带宽及其他应力，将电源模块接入特制的测试工装上，运行测试程序，直接读出电源模块纹波噪声的测试值 5。但对电源模块纹波噪声测试造成影响的因素较多，对接地要求也比较高，因此，用测试系统测试纹波噪声受工装制作、接线长度、接地方式等影响，会产生较大的测试误差。对此，可通过优化工装结构或软件修正等方式加以改善。4 结 语开关电源具有变换效率高、调压范围宽、稳压精度好、节约能源、结构小巧等诸多优点。纹波与噪声对开关电源来说虽不可避免，但只要在模块设计、产品应用过程中采取合理的方式及方法，合理选用电源滤波器，就可以充分发挥开关电源的诸多优点，最大限度地抑制其缺点。参考文献：1 王娜，赵寰宇.开关电源模块的纹波和噪声分析 J.铁道通信信号，2021，57（4）：18-21.2 许兴明，刘国伟.直流稳定电源纹波与噪声的测量 J.宇航计测技术，2016，36（3）：9-14.3 张兵，白雪.抑制开关电源纹波的研究 J.黑龙江科技信息，2011（22）：190.4 董玉林，王晓明，刘瑶，等.开关电源纹波和噪