直流电源电压纹波的测量方法介绍

　　如何操作指南

　　总结

　　为了覆盖不同直流电源纹波性能测试的需求，研究了各类电压纹波测量方法和测量系统。每套测量方法都基于测量仪器的性能和实测验证结果，简要地总结和比较了各种测量方法和设备的优劣势，便于测量人员根据不同的测试条件选择最优的测试方案。

　　描述

　　随着科技的不断发展，电子产品的性能逐步提高，工程师设计电子产品时，对于超低功耗(Ultra-Low Power)以及超高数据速率的极致追求，延续了直流电源输出电压越来越低和精度要求越来越高的趋势。

　　这种趋势让电源设计面临严峻挑战，绝大多数电子产品设计工程师都需要考虑信号的完整性问题。开关电源中滤波电路的缺陷以及开关管道通断产生的高频噪声,不仅会引起纹波噪声，而且有可能引发干扰和故障。在数字电路中，直流电源的噪声也会是系统时钟和数据抖动的重要贡献者。因此，准确测量直流电源的纹波噪声，将会对电源设计工程师更高的基本要求。

　　电源纹波

　　无论是线性电源还是开关电源，电源输出的直流电压都是由交流电压经过整流、滤波、稳压后得到的，由于滤波的不干净，导致电源输出直流电压上包含纹波噪声。

　　纹波噪声是直流电压(电流)上的杂波信号，包含周期和随机两种分量。周期分量的频率通常 由开关频率的基波和谐波组成，随机分量主要由开关管道导通或截止瞬间产生的高频脉冲以及外界干扰产生。

　　纹波噪声主要包括低频纹波噪声，高频纹波噪声，共模噪声以及控制回路引起的纹波噪声。低频纹波主要由供电电源工频及其谐波成分组成，幅值比较小，容易滤除。高频纹波主要是开关管道在导通或截止的过程中产生高频干扰，通常幅值比低频纹波大得多。开关电源的频率越高，输出滤波器电感电容值越大，高频纹波越小。功率器件与散热器底板和变压器原副边以及导线之间存在寄 生电容电感，当电压作用于功率器件时就会产生共模噪声。同时控制电路的非线性也会造成电路震荡，产生纹波噪声。

　　纹波噪声的危害和抑制

　　纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号，周期和振幅随着时间不断变化，并且不同电源的纹波也各不相同。但是一般来说纹波是有百害而无一利的。电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率。而高频纹波噪声还可能产生浪涌，导致电气设备非正常运行，加速设备老化。在数字电路中，纹波会干扰电路的逻辑关系，给通信、测试和计量带来噪声干扰，影响信号的正常测量，甚至损坏设备。

　　直流电源的电压纹波测量

　　电源输出电压携带纹波噪声是不可避免的，而纹波噪声的危害又是很大的，因此电源制造商，都要考虑将纹波降低到百分之几以下，对纹波要求高的设备要考虑把纹波降低到更小。除了电源设计的时候要降低纹波噪声之外，纹波对于评估电源性能也是一个重要的指标，因此在电源测试计量领域，如何测量电源纹波是一直在探索和讨论的课题。

　　单端示波器的纹波测量方法

　　对于纹波指标要求不高的低压电源，示波器直接测量就可以满足要求。通常采用单端示波器测量方法。为了避免地环流在示波器输入端引入误差，连接线路采用单端接地，即电源端不接地，示波器端接地， 如图-1，连线图仅为纹波测量线路图，直流电源需要连接电阻或电子负载，设置合适的电压电流，以保证直流电源输出要求的直流电压和电流，并且处于恒压模式。

　　图-1 单端示波器测量纹波电路连接图

　　一般示波器的输入电压范围在40V以内，鉴于示波器的输入电压范围，一般在直流电源和示波器之间会增加RC模块，同时设置示波器输入阻抗为1 M Ω，以保护示波器不被过高的直流电压损坏。示波器设置交流耦合方式，滤除被测信号的直流分量，示波器仅观察被测信号的交流分量，同时示波器选择更小的垂直档位，可以观察电源纹波的细节，示波器上可以直接读取纹波的峰峰值和有效值。

　　2. 带差分放大器的示波器测量方法

　　对于纹波指标要求高的直流电源，示波器的垂直分辨率不够或者测量精度不高，示波器直接测量的方法就无法满足指标的要求了，一般会选择对被测的纹波信号进行放大测量的方法，以提高测量准确度。例如在示波器与直流电源之间加入差分放大器，一方面可以隔断直流分量，另一方面可以放大测量的纹波信号，提高测量准确度，如图-2，连线图仅为纹波测量线路图，直流电源需要连接电阻或电子负载，设置合适的电压电流，以保证直流电源输出要求的直流电压和电流，并且处于恒压模式。

　　图-2 带差分放大器的测量纹波电路连接图

　　因为差分放大器的设置，有可能限制输入共模信号的电压范围，为了防止高电压损坏仪器，可以在前端加RC滤波电路，并且设置差分放大器为AC耦合模式。示波器上的读数值需要乘以差分放大器的有效增益，得到直流电源的纹波峰峰值和有效值。

　　3. 带差分传感器的波形分析仪测量方法

　　除了通用的示波器测量电源纹波以外，我们研究了低噪声波形信号分析仪的测量方法。使用Keysight CX3322A 波形分析仪和Keysight CX1105A 电流/电压低噪声差分传感器，也可以实现直流电源的电压纹波测量。线路连接图如图-3。连线图仅为纹波测量线路图，直流电源需要连接电阻或电子负载，设置合适的电压电流，以保证直流电源输出要求的直流电压和电流，并且处于恒压模式。

　　图-3波形分析仪纹波测量线路图

　　这也是一种差分测量方法，并且测量系统引入的底噪非常低。根据测量仪器的指标手册，当选择20 MHz 带宽限制的时候，25 mV 量程的底噪有效值只有20 μV，它只有示波器的十分之一，并且测量系统具有比较好的平坦度。因此，这也是非常理想的直流电源纹波测量方案。

　　只是CX1105A的共模直流电压范围很窄，只有5~6 V，因此需要在差分传感器前端加上RC滤波电路，一方面可以阻断直流共模电压，保护差分传感器不被高压损坏，另一方面匹配合适的电阻，降低差分传感器前端的输入阻抗，可以有效地降低交流共模噪声。波形分析仪上的读数即为测量纹波的峰峰值和有效值。

　　4. 高压直流电源的纹波测量方法

　　以上三种测量方案只适用于200V以下的直流电源，但是目前高压直流电源越来越多，如何测量高压纹波也越来越受到关注。

　　1)带无源高压探头的示波器测量方法

　　这是最常用的高压信号的测量方法，选择与示波器匹配的无源高压探头，例如Keysight 10073C10:1 探头和10076C 100:1探头。示波器可以根据连接的探头，进行自动修正，示波器上读取的数据即为测量纹波的峰峰值和有效值。在测量开始之前，高压探头一定要做低频补偿，保证测量准确度。

　　虽然衰减比率越大，输入电压就可以越高，比如10073C 最高输入电压可以到500 V峰值，而10076C 可以到2000 Vpk 以上，但是衰减比率越大，探头输入端的灵敏度越高，示波器底噪被放大得越大。因此，对于纹波要求不高的500 V峰值以上的高压测量，可以使用10076C 100:1 探头进行测量，500V峰值以下的高压测量，尽量选择10073C 10:1探头进行测量。

　　2)优化的带高压探头的示波器测量方法

　　对于纹波要求高的高压测量，可以增加差分放大器，来提高测量精度，抑制测量系统的底噪。如图-4。

　　图-4带差分放大器的高压纹波测量线路图

　　可以根据直流电压大小和测量纹波的指标，选择10:1 或者 100:1探头，不管选择哪一种探头，测量系统的底噪性能都比直接接示波器要好很多。测量系统的平坦度在20 MHz被测频率范围低于5%。优化的高压纹波测量方案非常适用于高电压高精度的纹波测量。

　　总结

　　对于文章中列出的集中直流电压纹波测量方案，各有优势和不足，并不能说哪一种是绝对完美的方案，每一种方案都有不同的测量条件和适用范围。因此，测量人员可以根据测量范围和精度要求，选择一种最简单和适用的测量方案。

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