如何測量直流輸出電壓中存在的紋波

如果輸出信號受紋波影響，則開關(guān)轉(zhuǎn)換器的性能可能會大大降低。它的存在在頻譜儀中是很明顯的。對于所有應(yīng)用而言，減小輸出紋波和開關(guān)瞬變至關(guān)重要。讓我們看看如何注意和如何測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量是至關(guān)重要且精細(xì)的操作。測量此有害信號需要格外小心，因為很容易獲得錯誤的讀數(shù)。紋波是在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端出現(xiàn)的有害信號。這取決于調(diào)節(jié)器本身的質(zhì)量和所用外部組件的特性。

紋波是交流輸出上交流電壓的殘留，其頻率取決于電路的開關(guān)。它的基本頻率與開關(guān)頻率相同。識別它的一個重要參數(shù)是紋波系數(shù)，它等于輸出中交流分量的RMS值與整流后輸出的平均值之比（參見公式1）。它總是小于團(tuán)結(jié)。

公式1：紋波系數(shù)

通常很難準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。工程師可能很難使用示波器進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。誤差源之和必須僅為幾個mV。但是對于其他更關(guān)鍵的應(yīng)用程序（例如醫(yī)療應(yīng)用程序），限制甚至更窄。

用示波器測量紋波

示波器執(zhí)行紋波測量（請參見圖1）。在較高級別上，此選擇不是最佳選擇。通往示波器尖端的電纜形成一個環(huán)路。探針和接地導(dǎo)體會產(chǎn)生寄生電感，會對測量信號產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)測得的頻率更高時，問題變得更糟。對于此分析，對于某些類型的測量（包括紋波測量），必須使用非常短的電纜和非常高質(zhì)量的探頭。示波器也必須發(fā)揮其作用，并具有卓越的質(zhì)量。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)量不佳的探針是不值得的。當(dāng)與高輸入阻抗一起使用時，低電平示波器具有較高的背景噪聲。如果紋波很小，則其可視化將非常不舒適且復(fù)雜。必須消除采集信號的直流分量，并放大小交流信號，以測量疊加在直流電源電壓上的紋波。因此，交流輸入端與與電纜串聯(lián)的電容C的電容器去耦，從而創(chuàng)建了一個簡單的高通濾波器，其特征在于時間常數(shù)：

t = 2 x Z x C

從圖中可以看出，盡管大約17 V的輸出信號是直流電，但它會受到不希望有的交流分量的影響。有時在通過電容器阻塞直流電之后放大交流電很有用。

圖1：直流信號中的紋波

用測試儀測量紋波

紋波電壓是一個小的交流電壓，位于直流偏移上方。即使操作不方便，不準(zhǔn)確且具有挑戰(zhàn)性，也可以使用數(shù)字萬用表進(jìn)行測量。為此，必須連接數(shù)字萬用表的探頭和調(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。通過旋轉(zhuǎn)測試儀旋鈕選擇“交流電壓”模式。儀表將僅測量信號的交流分量，紋波電壓（如果存在）。顯示屏顯示紋波電壓幅度的測量值。如果顯示的值為0.00 mV，則表示很可能不存在紋波。為了正確地表征紋波電壓，必須測量其頻率。注意測試儀測量的交流電壓類型。這可能是一個有效的價值，平均值，峰峰值或其他值。此外，在大多數(shù)情況下，紋波波形不是正弦波，但始終需要檢查萬用表的測量類型。圖2所示的簡單接線圖顯示了非常簡單的AC / DC電源。組件按比例分配以提供受紋波噪聲影響的直流輸出信號。

圖2：用萬用表估算紋波

觀察音頻頻譜

如圖3所示，一種檢查紋波是否存在的方法涉及辨別輸出信號的音頻頻譜。完美的信號（非常干凈且無起伏）應(yīng)返回黑屏。另一方面，圖中的一個是指由先前的接線圖產(chǎn)生的電壓，該電壓也受到電源線上的起伏和干擾的影響。存在紋波信號和相關(guān)的諧波（50 Hz，100 Hz，150 Hz等）。在頻譜圖中，電力線中也經(jīng)常出現(xiàn)不同性質(zhì)的峰。

圖3：受到紋波影響的DC信號的頻譜圖

嗡嗡聲音頻和音頻軟件

對于高紋波電平，可以采用不太常用的測量方法。其中之一是使用音頻分析軟件（例如，Audacity）將電源或轉(zhuǎn)換器的輸出連接到聲卡的輸入，并將來自轉(zhuǎn)換器的信號數(shù)字化。通過對交流信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?，甚至可以識別出非常低的紋波。圖4顯示了以前的接線圖和相關(guān)的頻譜圖所產(chǎn)生的褶皺，該褶皺突出顯示了50 Hz處的波及其諧波。如果紋波頻率較低，則可能會在揚(yáng)聲器中爆炸。

圖4：出口處出現(xiàn)的波紋

估算降壓穩(wěn)壓器中的紋波

為了進(jìn)行正確的計算，必須忽略主要流經(jīng)電容器C的電感器電流的紋波（見圖5）。電感器上的潮汐包含一個直接分量，該分量也穿過負(fù)載以及一個小的紋波。直流電僅流過負(fù)載電阻，而電容器會阻止該直流電。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，以使其在開關(guān)頻率下的阻抗大大低于負(fù)載的阻抗（至少低十倍）。電容器用作濾波器，因此大部分電感器紋波都通過電容器。帶有電感器的電容器上的電流波形是相同的，沒有負(fù)載。電感器和電容器是影響紋波的電抗性組件。電感值必須仔細(xì)分析。低ESR電容器可最大程度地減小紋波。但是隨著容量的增加，轉(zhuǎn)換器的成本和尺寸也會增加。有時使用頻譜分析儀很有用，因為波動還可以通過其高次諧波表現(xiàn)出來。

圖5：降壓穩(wěn)壓器中的紋波

升壓調(diào)節(jié)器中的紋波估計

在升壓調(diào)節(jié)器中，輸出紋波的百分比可能會因許多因素而異，例如：

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

圖6顯示了一個簡單的升壓穩(wěn)壓器，它是由Analog的LTC1872制成的。其他一些外部電子組件也足以構(gòu)建可用的轉(zhuǎn)換器。

圖6：具有Analog的LTC1872的升壓調(diào)節(jié)器

圖7中的曲線圖顯示了兩個不同的紋波信號，具體取決于應(yīng)用了44 uF還是100 uF的濾波電容器。

圖7：紋波還取決于濾波電容器的值

結(jié)論

紋波幾乎總是出現(xiàn)在電源和轉(zhuǎn)換器上，尤其是低端的電源和轉(zhuǎn)換器。使用示波器進(jìn)行測量時，至關(guān)重要的是最小化探頭環(huán)路面積，以避免信號失真。根據(jù)設(shè)備的官方文檔，還必須遵守電路的工作條件。測量儀器的阻抗也應(yīng)大約為50歐姆，并且電纜和探頭必須遵循相同的阻抗，以提供平坦的響應(yīng)和統(tǒng)一的增益。

編輯：hfy