用示波器測量電源紋波方法技巧
 
1. 定義
紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號,，指在額定輸出電
壓,、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓的峰值,。狹義上的紋波電壓,，是指輸出直流電壓
中含有的工頻交流成分。  
 紋波用示波器可以看到,，在直流電壓上下輕微波動，就像水平面上波動的水紋一樣,，
所以被稱為紋波,。  
 

2. 紋波的產(chǎn)生和危害
2.1 電源紋波的產(chǎn)生 
電源主要有線性電源和開關(guān)電源二大類，輸出的直流電壓是一個固定值,，由交流電壓經(jīng)
整流,、濾波、穩(wěn)壓后得到,。由于濾波不干凈，直流電壓中含有交流成分,，這就產(chǎn)生了紋波,。
紋波是一種復(fù)雜的雜波信號，它是圍繞輸出直流電壓上下來回波動的周期性信號,，但周期和
振幅不是定值，隨時間而變,，不同電源的紋波波形不一樣,。  
產(chǎn)生電源紋波的因素有許多，即使你用電池供電也會因負載的波動而產(chǎn)生波紋,。  
?  線性電源  
由于我國供電頻率是50Hz,，所以它的紋波主要來自工頻50Hz變壓器,，紋波電壓的頻
率常常是50nHz，n取自然數(shù),，大小取決于整流電路的類型,。
對于半波整流,，是1；對于全波整流,，是2,；對于三相全波整流,，是6，即300Hz,。所
以這種電源的輸出端紋波主要是50HZ或它的整數(shù)倍,，幅值小，較易濾除,，通常紋波可做到
幾mV,。  
如假定整流橋輸出負載電流IL,，負載電壓VL，整流橋輸人交流電壓幅值Vm及其輸人交流電壓頻率f,，
則其輸出的紋波電壓由表1各式計算,。
表1 整流紋波電壓
 
     采用功率匹配法或等效電流源法計算紋波電壓，一般表示為：  
     △U＝ILsin2wt／（2wC）     （1） 
     從式（1）中可以看出,，紋波頻率為輸入頻率的兩倍，其幅值正比于變換器的輸出電流,，反比于輸人電壓頻率和平滑電容的大小,。  
?       開關(guān)電源  
產(chǎn)生的紋波比較復(fù)雜、很難濾除且幅值較大,。一般開關(guān)電源的紋波比線性電源的紋波要
大,，頻率要高。
主要來源于五個方面:低頻紋波,、高頻紋波、共模噪聲,、開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲和調(diào)節(jié)控
制環(huán)路引起的紋波噪聲,。
     ①高頻紋波。高頻紋波來源于開關(guān)變換電路,。開關(guān)電源的開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的時候，都會有一個上升和下降時間,，這時候在電路中就會出現(xiàn)一個與開關(guān)上升與下降時間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲,，一般為幾十MHz。同樣二極管在反向恢復(fù)瞬間,，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián),，會引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz,。還有高頻變壓器的漏感也會產(chǎn)生高頻干擾。這些噪聲一般叫做高頻紋波噪聲,，幅值通常要比紋波大得多,。
 
圖2 開關(guān)紋波和高頻噪聲
    如假設(shè)輸出整流電容Cf有限，實際電容也有損耗,，流進電容的電流ics 是脈動的,，使Vo脈動，
形成紋波電壓,。假定D為占空比、L為儲能電感,、C為濾波電容,、fs為開關(guān)頻率，則常用的4種基本類型
變換器的輸出紋波電壓列于表2,。
表2 高頻紋波電壓
 
     從表2可以看出,，通常高頻的輸出噪聲,，大小與開關(guān)電源的頻率和輸出濾波器有關(guān)。電源的開關(guān)
頻率越高,，電感和電容值越大,，則輸出紋波越小。  
     ②共模噪聲,。功率器件與散熱器底板和變壓器原邊與副邊之間存在寄生電容,，導(dǎo)線存在寄生電感,，
因此當電壓作用于功率器件時,，導(dǎo)致開關(guān)電源的輸出端產(chǎn)生共模紋波嗓聲,。  
     ③開關(guān)器件產(chǎn)生的噪聲。隨著開關(guān)的開啟和關(guān)閉的切換,，電感L中的電流也是在輸出電流的有效
值上下波動,。所以在輸出端也會出現(xiàn)一個與開關(guān)同頻率的紋波,。  
     ④調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波噪聲。實際電路中控制環(huán)路要有時間響應(yīng),，不能做到線性調(diào)節(jié)，故輸
出電壓瞬間會忽高忽低,，甚至有可能造成電源系統(tǒng)的振蕩,，由此產(chǎn)生了紋波噪聲。  
2.2 紋波電壓危害 
     在調(diào)試產(chǎn)品時會遇到以下這些現(xiàn)象：  
     喇叭或聽筒發(fā)生嗡嗡的雜音,，這可能是音頻范圍內(nèi)的類似正弦波的紋波信號推動喇叭的紙盆或話
機的聽筒而形成雜音,；  
     調(diào)試信號放大系統(tǒng)時,，能看到紋波電壓對放大信號產(chǎn)生調(diào)制，形成雜波,；  
     如果電視圖像的背景上有細橫條向上或向下滾動,，可能是由激勵器中調(diào)制、校正等中頻單元的供
電電源紋波過大引起,。  
     以上現(xiàn)象都可能是紋波在搗亂,。紋波電壓高了,，有可能使電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波、調(diào)制等,，干擾正常
的工作狀態(tài),；導(dǎo)致電源效率降低；影響數(shù)字電路的邏輯關(guān)系,；干擾信號的正常傳遞等等,。較強的紋波會產(chǎn)
生浪涌電壓或電流，有可能燒毀用電設(shè)備,。要使紋波足夠小，必須準確地測出紋波的大小    
3. 電源紋波的測量
分兩大類：一類是單獨電源的鑒定,，另一類是產(chǎn)品的調(diào)試測量,。  
測量環(huán)境和條件：
?  在（20±5）℃的室內(nèi)進行，濕度應(yīng)小于80%,；
?  周圍對測量有影響的機械震動及電磁干擾應(yīng)減到zui?。?
?  標準儀器與被檢電源應(yīng)在以上的檢定環(huán)境下放置24h以上,；
?  對純電源來講,，測量電源紋波時,，要求帶載測量，所加負載要使輸出電流大于額定輸出
電流的80%以上,。選用低噪聲的純阻性負載或電子負載,。
紋波電壓可以用量，也可以用相對量來表示,。紋波電壓幅度與直流電壓幅度之比稱
為電源的紋波系數(shù)，常用對數(shù)方式表示,。例如一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài),，其輸出為10V/1A，
測得紋波的有效值為10mV,，這10mV就是紋波的量,。而相對量即紋波系數(shù)=紋波電壓
/輸出電壓=10mv/10V=0.1%，即等于千分之一,。
電源紋波的測量可以用毫伏表或示波器。  
    3.1 示波器測量電源紋波 
目前常用示波器來測量電源紋波,，除了可測量紋波的各種電壓值,，還可以看到波形。如
使用數(shù)字示波器,，注意存儲深度和干擾,，否則可能造成無法正確的測量,?？梢杂媚M示波器,，
泰克公司生產(chǎn)的示波器有專門配備的電源紋波測量軟件。  
     用示波器對電源紋波測量的連線方式有以下幾種：  
<1> 靠連法  
     使用帶有地線環(huán)的示波器探頭,，將探針直接接觸正輸出的管腳,，地線環(huán)直接接觸負
輸出的管腳，這樣從示波器中讀出的峰峰值為輸出線上的紋波與噪聲,，如圖3,。
 
圖3 靠測法
<2>      直連法  
     將地線環(huán)直接與負輸出管腳連接，利用探頭接地環(huán)進行輸出端測試,，如圖4。  
 
圖4 直測法
<3>      絞連法  
     輸出管腳接雙絞線后接電容,，在電容兩端用示波器測量,。  
測量中的注意事項：
?  盡量使用示波器zui靈敏的量程檔；
?  盡量使用1：1的探頭,，而不是示波器標配的10：1的探頭,；
?  盡量使用ＡＣ耦合功能；
?  盡量使用差分探頭,；
?  盡量使用小衰減比的探頭；
?  盡量使用探頭的短地線,；
?  設(shè)置是示波器的帶寬上限,，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，一般帶寬
上限設(shè)為20MHz,；
    3.2 交流毫伏表測量電源紋波 
用交流毫伏表來測量紋波電壓,，是因為交流毫伏表只對交流電壓響應(yīng),，并且靈敏度高,，
可測量很小的交流電壓,，而紋波往往是比較小的交流電壓。毫伏表可直接讀出紋波電壓的有
效值,、峰值和平均值,。但結(jié)果與毫伏表的頻響有關(guān)，在使用交流數(shù)字電壓表時,，要注意其頻
響范圍,，不同范圍會有不同的測量結(jié)果。  

4. 電源紋波抑制  
抑制紋波電壓的通常做法：
?  加大濾波電路中電容容量,；
?  采用LC濾波電路；
?  采用多級濾波電路,；
?  以線性電源代替開關(guān)電源,；
?  合理布線
如果能有針對的采取措施可能會起到事半功倍的效果。  
     4.1 低頻紋波的抑制  
     對開關(guān)電源來說,，可采用前級預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除,。低頻
紋波是輸入整流紋波通過DC/DC變換器傳遞到輸出的，它的大小取決于整流濾波電容器的
電容量和反饋調(diào)節(jié)回路的調(diào)節(jié)器性能,。根據(jù)開關(guān)電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反
比,，電感內(nèi)電流波動大小和電感值成反比,。所以加大電容值和電感值可以減小輸出紋波。適
當配置調(diào)節(jié)器的參數(shù),，增大交流反饋,，也可以有效地降低紋波,。  
     4.2 高頻紋波的抑制  
     輸出紋波從頻譜上分主要由低頻紋波、開關(guān)頻率紋波和尖峰三個方面組成,。而尖峰
是紋波的主要部分,，它的大小基本決定了紋波的大小。因為高頻變壓器初級,、次級存在漏感,，開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的瞬間，漏感中的電流無法釋放便產(chǎn)生了尖峰,。整流尖峰的產(chǎn)生原因是高頻整流管的PN結(jié)存在結(jié)電容,，整流管在導(dǎo)通和截止的瞬間，結(jié)電容的充放電也會產(chǎn)生尖
峰,。從示波器中可看到開關(guān)電源輸出尖峰的頻率約50MHz～100MHz，遠高于濾波電感器的截止頻率,，不能用常規(guī)的電感濾波方式來解決,。實際工作中只能采取減小變壓器漏感和采用軟恢復(fù)特性的高頻整流管；采用高頻濾波器,；采用多級濾波,；提高開關(guān)電源工作頻率。  
     4.3 共模紋波的抑制  
     對于共模紋波嗓聲的常用方法:  
     （1）減小控制功率器件,、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑
制電感及電容,；  
     （2）采用EMI濾波器,；  
     （3）降低開關(guān)毛刺幅度。  
     4.4 控制環(huán)路的抑制  
     控制環(huán)路參數(shù)不適當會引起紋波,，當輸出端波動時通過反饋網(wǎng)絡(luò)進入調(diào)節(jié)器回路,，
可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率,。抑制方法有：
  
     （1）調(diào)節(jié)器輸出增加對地的補償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋
波增大,；  
     （2）合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù),。放大倍數(shù)過大會引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸
出紋波增加,，放大倍數(shù)過小使輸出電壓穩(wěn)定性變差,，所以調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)的參數(shù)要合理選
取，調(diào)試中應(yīng)根據(jù)負載狀況進行調(diào)節(jié),。  
     （3）低噪聲低壓差線性調(diào)節(jié)器（LDO）。電源輸出端接LDO濾波,，這是減少紋波和
噪聲zui有效的辦法,，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng),，但成本很高,，功耗較大。
   4.5  PCB設(shè)計  
     開關(guān)電源的PCB設(shè)計非常重要,，PCB分布參數(shù)會導(dǎo)致調(diào)整誤差或濾波效率變差,，
嚴重時甚至可能導(dǎo)致自激（一般在特定的負載下發(fā)生）。原則是取樣回路和濾波回路要盡量
貼近開關(guān)電源IC,，PCB走線不可太長,、太細。