如果輸出信號(hào)受到紋波的影響，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能會(huì)顯著降低。它的存在在光譜儀中非常明顯。減少輸出紋波和開關(guān)瞬變對(duì)于所有應(yīng)用都至關(guān)重要。讓我們看看如何注意以及如何測(cè)量直流輸出電壓中存在的任何波。

介紹

出于多種原因，開關(guān)穩(wěn)壓器中輸出紋波的測(cè)量是一項(xiàng)至關(guān)重要且精細(xì)的操作。測(cè)量這個(gè)不需要的信號(hào)需要非常小心，因?yàn)楹苋菀椎玫藉e(cuò)誤的讀數(shù)。紋波是開關(guān)穩(wěn)壓器輸出端出現(xiàn)的不需要的信號(hào)。這取決于穩(wěn)壓器本身的質(zhì)量和使用的外部元件的特性。

下載我們關(guān)于電力電子的電子書

紋波是交流輸出端交流電壓的殘余，其頻率取決于電路開關(guān)。其基頻與開關(guān)頻率相同。識(shí)別它的一個(gè)重要參數(shù)是紋波系數(shù)，它相當(dāng)于輸出中交流分量的 RMS 值與整流輸出的平均值之間的比值（見公式 1）。它總是小于團(tuán)結(jié)。

公式 1：紋波系數(shù)

通常很難準(zhǔn)確測(cè)量。工程師可能難以使用示波器進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。誤差源的總和必須只有幾個(gè) mV。但對(duì)于其他更關(guān)鍵的應(yīng)用，例如醫(yī)療應(yīng)用，限制甚至更窄。

用示波器測(cè)量紋波

示波器執(zhí)行紋波測(cè)量（見圖 1）。在高層次上，這種選擇并不是最好的。連接到示波器尖端的電纜形成一個(gè)回路。探頭和接地導(dǎo)體會(huì)產(chǎn)生寄生電感，對(duì)要測(cè)量的信號(hào)產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)測(cè)量的頻率更高時(shí)，問題變得更糟。對(duì)于此分析，對(duì)于某些類型的測(cè)量，包括紋波測(cè)量，必須使用非常短的電纜和非常高質(zhì)量的探頭。示波器也必須盡其所能并具有卓越的品質(zhì)。它必須具有良好的靈敏度、出色的 SNR、高分辨率和足夠的帶寬。質(zhì)量差的探針是沒有回報(bào)的。低電平示波器在使用高輸入阻抗時(shí)具有高背景噪聲。如果漣漪很小，它的可視化就會(huì)非常不舒服和復(fù)雜。為了測(cè)量疊加在直流電源電壓上的紋波，需要消除采集信號(hào)的直流分量，并放大小交流信號(hào)。出于這個(gè)原因，交流輸入通過(guò)與電纜串聯(lián)的電容 C 的電容器去耦，創(chuàng)建一個(gè)簡(jiǎn)單的高通濾波器，其特征在于時(shí)間常數(shù)：

t = 2 x Z x C

正如您在圖中看到的，雖然大約 17 V 的輸出信號(hào)是直流電，但它受到了不希望有的交流分量的影響。有時(shí)，在通過(guò)電容器阻斷 DC 之后放大 AC 分量很有用。

圖 1：直流信號(hào)中的紋波

用測(cè)試儀測(cè)量紋波

紋波電壓是一個(gè)小的交流電壓，它位于直流偏移之上。即使操作不方便、不準(zhǔn)確和具有挑戰(zhàn)性，也可以使用數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。為此，連接了數(shù)字萬(wàn)用表的探頭和調(diào)節(jié)器輸出。紅色連接到正極端子，黑色連接到負(fù)極端子。旋轉(zhuǎn)測(cè)試儀旋鈕選擇“交流電壓”模式。儀表將僅測(cè)量信號(hào)的交流分量，即紋波電壓（如果存在）。顯示屏顯示紋波電壓幅值的測(cè)量值。如果顯示值為 0.00 mV，則表示很可能不存在紋波。為了正確表征紋波電壓，必須測(cè)量其頻率。注意測(cè)試儀測(cè)量的交流電壓類型。它可能是一個(gè)有效值，平均值、峰峰值或其他。此外，大多數(shù)情況下，紋波波形不是正弦波，但始終需要檢查萬(wàn)用表的測(cè)量類型。圖 2 所示的簡(jiǎn)單接線圖顯示了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的 AC/DC 電源。這些組件按比例提供受紋波噪聲影響的 DC 輸出信號(hào)。

圖 2：用萬(wàn)用表估算紋波

觀察音頻頻譜

檢查是否存在波紋的一種方法涉及辨別輸出信號(hào)的音頻頻譜，如圖 3 所示。完美的信號(hào)，非常干凈且沒有波動(dòng)，應(yīng)該返回黑屏。另一方面，圖中的電壓是指由前面的接線圖產(chǎn)生的電壓，也受電源線上的波動(dòng)和干擾的影響。存在紋波信號(hào)和相關(guān)諧波（50 Hz、100 Hz、150 Hz 等）。在頻譜圖中，也有不同性質(zhì)的峰值，通常出現(xiàn)在電源線中。

圖 3：受紋波影響的直流信號(hào)的頻譜圖

嗡嗡聲和音頻軟件

對(duì)于高紋波電平，可以采用不太常用的測(cè)量方法。其中之一是將我們的電源或轉(zhuǎn)換器的輸出連接到聲卡的輸入，并使用音頻分析軟件（例如 Audacity）將來(lái)自轉(zhuǎn)換器的信號(hào)數(shù)字化。通過(guò)對(duì)交流信號(hào)的適當(dāng)放大，甚至可以辨別出非常低的紋波水平。圖 4 顯示了由之前的接線圖和相關(guān)頻譜圖產(chǎn)生的皺紋，它突出了 50 Hz 波及其諧波的存在。如果紋波頻率較低，它會(huì)在揚(yáng)聲器中爆炸。

圖 4：出口處的波紋

降壓穩(wěn)壓??器中紋波的估計(jì)

為了正確計(jì)算，不能忽略主要流經(jīng)電容器 C 的電感電流紋波（見圖 5）。電感上的潮汐包含一個(gè)也通過(guò)負(fù)載的直接分量和一個(gè)小紋波。直流電僅流過(guò)負(fù)載電阻，電容器會(huì)阻止此直流電。皺紋在電容器和負(fù)載電阻之間分裂。因此，電容必須足夠大，以使其阻抗在開關(guān)頻率下顯著低于負(fù)載阻抗（至少小十倍）。電容器充當(dāng)濾波器，以便大部分電感紋波通過(guò)它。電容上的電流波形是一樣的，有電感，沒有負(fù)載。電感器和電容器是影響紋波的無(wú)功元件。必須仔細(xì)分析電感值。低 ESR 電容器可最大限度地減少紋波。但隨著容量的增加，轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸也會(huì)增加。有時(shí)使用頻譜分析儀很有用，因?yàn)椴▌?dòng)也可以通過(guò)其高次諧波表現(xiàn)出來(lái)。

圖 5：降壓穩(wěn)壓器中的紋波

升壓穩(wěn)壓器中紋波的估計(jì)

在升壓穩(wěn)壓器中，輸出紋波的百分比可能因許多因素而異，例如：

???? ? 電子元件的質(zhì)量
???? ? 負(fù)載的吸收和類型
???? ? 平滑和濾波電容器的容量
???? ? 電感值
???? ? 開關(guān)頻率

圖 6 顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單的升壓穩(wěn)壓器，由 Analog 的 LTC1872 制成。其他一些外部電子元件足以構(gòu)建一個(gè)可用的轉(zhuǎn)換器。

圖 6：采用 Analog 的 LTC1872 的升壓穩(wěn)壓器

圖 7 中的圖表顯示了兩種不同的紋波信號(hào)，具體取決于應(yīng)用的是 44 uF 還是 100 uF 濾波電容器。

圖 7：紋波還取決于濾波電容的值

結(jié)論

紋波幾乎總是出現(xiàn)在電源和轉(zhuǎn)換器上，尤其是低端的。使用示波器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，盡量減少探頭環(huán)路面積以避免信號(hào)失真至關(guān)重要。根據(jù)設(shè)備的官方文檔，還必須遵守電路的工作條件。測(cè)量?jī)x器的阻抗也應(yīng)該在 50 歐姆左右，電纜和探頭必須遵循相同的阻抗，以提供平坦的響應(yīng)和單位增益。



審核編輯：劉清