矿用直流电源纹波测量问题探讨

盛敏敏

（中国煤炭科工集团上海研究院检测中心 ，上海201401）

所有电子产品都需要电源提供能量，电源在提供能量的同时也带来了纹波。纹波电压对滤波、检波、A／D转换、比较器等电子电路会产生影响。在电源的检测过程中，为了精确测量纹波，就要知道纹波是如何产生、如何用最佳方法来测量。

1 纹波产生机理

直流电源按调整元件的工作状态分为线性电源和开关电源两大类。区分线性电源和开关电源就在于其工作状态，工作在线性区的就是线性电源，工作在开关状态的就是开关电源。两类电源都是由交流电压经过整流、滤波、稳压后得到。由于滤波不干净，直流电压中含有交流成分，直流电压上下波动，就像水面上波动的水纹一样，所以被称作纹波。纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅不是定值，而是随时间而变，不同电源的纹波波形不一样。

引起电源输出纹波的因素比较多，大概可以分析成下列原因：电网的交流电压经过整流、滤波后所剩余的纹波；电子元器件本身的噪声及输出端引入的干扰信号；电路板布局不合理引入的干扰信号等。

在线性电源中，由于我国供电频率是50 Hz，所以它的纹波主要来自工频变压器，纹波电压的频率常常是50n Hz（n取自然数），n的大小取决于整流电路的类型。对于半波整流，n是1；对于全波整流，n是2；对于三相全波整流，n是6。所以线性电源输出端的纹波主要是50 Hz或50 Hz的整数倍，幅值较小，容易滤除。

开关电源由于其体积小、高可靠、低功耗、稳压精度高的优点，被越来越多地应用于电子电路中。开关电源的纹波产生机理：开关电源的纹波比较复杂、很难滤除且幅值较大，主要来源于四个方面：低频纹波、高频纹波、调节控制环路和共模噪声引起的纹波噪声。一般开关电源的纹波比线性电源的纹波要大，频率要高。图1为开关电源的简化电路图。

图1 开关电源简化电路图

（1）低频纹波

开关电源包括AC／DC和DC／DC部分。其中直流部分通过整流桥整流，再经过平滑电容滤波而得。由于平滑电容不可能无限大，所以导致低频纹波的存在。

（2）高频纹波

高频纹波来源于开关变换电路。开关电源的开关管在导通和截止的时候，都会有一个上升和下降时间，这时候在电路中就会有一个与开关上升与下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管在反向恢复时，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。还有高频变压器的漏感也会产生高频干扰。这些噪声一般叫做高频纹波噪声，幅值要比低频纹波大得多。假设输出整流电容Cf有限，实际电容也有损耗，流进电容的电流Ic是脉动的，使Uo脉动，形成纹波电压。假定D为占空比、L为储能电感、C为滤波电容、f为开关频率，则常用的四种基本类型电路的输出纹波电压如表1所示。

表1 高频纹波电压

由表2可知，通常高频的输出噪声大小与开关电源的频率和输出滤波器有关。电源的开关频率越高、电感和电容值越大，则输出的纹波越小。

（3）调节环路引起的纹波

在常用的开关电源中，通常采用电压环与电流环的双环控制，再加上一些保护措施，使其控制线路复杂，参数匹配要求增加。参数配置不当，经常会产生振荡，输出电压瞬间会忽高忽低。其主要原因是反馈信号与调制信号间存在的相位差，调制方向不能与输出控制量的变化方向相吻合。主要后果是引起功率开关管失控，使输出波形失真，增加损耗。

（4）共模噪声

功率器件与散热器底板和变压器原边与副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当电压作用于功率器件时，导致开关电源的输出端产生共模纹波噪声。

2 纹波测量方法

电源纹波的测量可以用交流毫伏表或示波器。

用交流毫伏表来测量纹波电压，是因为毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度高，可测量很小的交流电压。毫伏表可以直接读出纹波电压的有效值、峰峰值和平均值，但其结果与毫伏表的频响有关。在使用交流毫伏表时，要注意频响范围，不同范围会有不同的测量结果。由于交流毫伏表不能直观地观测到纹波电压的波形，目前常用示波器来测量纹波电压。用示波器测量时连线方式有以下几种。

靠连法：使用带有地线环的示波器探头，将探针直接接触正输出的管脚，地线环直接接触负输出的管脚，这样从示波器中读出的峰峰值为输出线上的纹波与噪声。

直连法：将地线环直接与负输出管脚连接，利用探头接地环进行输出端测试。

双绞线法：输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端用示波器测量。

用以上方法连接测量时要注意：首先，根据要求规定示波器测量纹波的带宽上限，以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声，一般带宽上限设为20 MHz，为了滤除叠加的直流电压，采用AC耦合方式；其次摘掉探针“帽子”，直接用探头的屏蔽地和信号输出地连接，减短长接地引线形成的天线；为减小探头感应的影响，多数情况下都采用在探头接入点的位置并联小电解电容和瓷片电容，并联电容可以减少外接干扰信号进入示波器，也可以将一段短线绕在探针接地线周围，并使之与电源地相连接。这样做的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度，从而进一步减少高频拾取。此外把示波器引线绕在铁芯上可减小共模电流，因为这样会形成一个不影响差分电压测量，但可降低由共模电流产生误差的共模电感。在隔离电源中，真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的，这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。

3 问题提出

由于矿用直流电源输出大多数都是本质安全型的，本质安全型是电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。顾名思义，就是控制电源的能量输出。根据图1所示，为了减小电源输出端的纹波就要加大输出端的电容值和电感值，而电容和电感均是储能元件，这样暴露在外部的电源输出端就成为一个潜在的危险源。当输出端电路短路故障或者虚连时，其产生的火花由于其能量过大会引爆使用环境的可燃气体，造成不可挽回事故。这就为电源电路的设计增加了难度，两者冲突但两者都要兼顾。

4 结束语

本文主要阐述了电源纹波的产生机理以及测量方法，在测量中，除了要选择纯阻性负载外，所使用的设备也要能满足测量需求。

［1］ 徐焕蓉.直流稳压电源的纹波测量问题［J］.计测技术，2008，（5）：67－69.

［2］ 舒 乐，石 峰.高性能数字示波器在高压电源纹波测试中的应用［J］.仪器与应用，2005，（3）：46－48.

［3］ 陶生桂，刘成永，胡 兵.直流开关电源纹波分析［J］.城市轨道交通研究，2003，6（4）：23－26.