干貨分享丨為什么紋波噪聲不滿足規(guī)格
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2024-10-25
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一、輸出紋波噪聲的由來
紋波的定義：紋波是指在直流電壓或電流上，有規(guī)律的疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。也就是說現(xiàn)實中的電壓和電流并不像我們想象中的是完全穩(wěn)定完美的一條直線，而是疊加有很多的波動，并且這些波動的頻率是固定的，我們把這些波動叫做紋波。
噪聲的定義：噪聲是指疊加在紋波之上，非連續(xù)存在并無規(guī)律的電壓或者電流尖峰。也就是說噪聲指的是疊加在紋波上的雜波，并且噪聲的頻率并不完全固定統(tǒng)一，存在一定的偶然性。
如果我們想要徹底的解決紋波和噪聲，那就需要從根源上了解清楚紋波噪聲產(chǎn)生的原因。我們以開關(guān)電源為例，通常我們在電源模塊的輸出端測試到的紋波噪聲它的產(chǎn)生原因大致如下：開關(guān)器件動作、輸入前端低頻紋波、線路寄生參數(shù)及耦合等引起。
這些紋波噪聲最終疊加在電源模塊的輸出，給各種不同的負(fù)載進(jìn)行供電，也帶來了一堆的問題。當(dāng)電源的紋波噪聲過大時，它們可能會影響運(yùn)放的精度，干擾AD或者DA模塊的工作，使得整機(jī)的精度大幅度下降。
二、為什么紋波噪聲會不滿足規(guī)格
通常，電源模塊經(jīng)過整改設(shè)計，輸出紋波噪聲都能限制在比較低的水平內(nèi)，但在實際的電源應(yīng)用中，帶上各種類型的負(fù)載仍然會出現(xiàn)紋波噪聲超規(guī)格的情況，這是為什么呢？
輸出紋波噪聲超出規(guī)格有三個原因：
原因一：地線環(huán)引入高頻信號干擾，示波器帶寬設(shè)置較大
①判斷方法：檢查測試紋波噪聲的方法是否符合技術(shù)手冊上的推薦方法和接線方法；
②解決辦法：使用正確的測試方法，不恰當(dāng)?shù)臏y試方法會使得測試失真，導(dǎo)致結(jié)果誤判等等問題。通常在紋波噪聲測試的時候我們會進(jìn)行帶寬的限制，這主要取決于被測模塊的工作頻率段。以電源模塊為例，通常電源模塊的工作頻率都在500KHz以下，開關(guān)噪聲的頻率也大部分在5MHz以下，因此在測試的過程中，建議將帶寬限制在20MHz內(nèi)，這樣才可以確保所測試到的是真實的電源產(chǎn)生的紋波噪聲。同時在測試時，為避免示波器的供電電源的地線上會引入干擾，建議將示波器電源線上的地腳剪掉。
常規(guī)的測試方法為平行線測試法和靠測法，平行線測試法如下：
圖中電容器C1為陶瓷電容；C2為電解電容，默認(rèn)C1、C2分別為1uF、10uF；
靠測法如下：
相對于常規(guī)的甩線測試，靠測法主要是減小了地線環(huán)的面積，避免在測試的過程中在地線環(huán)路中耦合到干擾，影響了測試結(jié)果。主要的方法是像圖中所述，將地線夾子去掉，直接使用探頭上的環(huán)銅作為地使用。這樣可以有效的避免外接電磁環(huán)境對測試的影響。
原因二：隔離電源模塊N線或輸入大地對輸出負(fù)極短接
①判斷方法：排查是否把電源模塊N線/輸入地--輸出地短接，排查后端負(fù)載板是否存在負(fù)極接地點。
②解決辦法：實際應(yīng)用中不建議把隔離電源模塊N線/輸入地--輸出地共接，如果實際應(yīng)用需求負(fù)極接地且對EMC、紋波噪聲要求不高或是對隔離電壓沒有要求情況下可以共地使用。
原因三：電源模塊附近有大功率、強(qiáng)干擾設(shè)備或部件
電源也是一種敏感設(shè)備，也極易受環(huán)境的干擾而出現(xiàn)問題，例如空間的干擾、線路的耦合等等，亦或是電源負(fù)載存在一定頻率的噪聲，都有可能使電源的輸出紋波噪聲超規(guī)格。
①解決辦法：
a、應(yīng)用系統(tǒng)布局將電源塊模遠(yuǎn)離大功率設(shè)備；
b、電源模塊前端加濾波外圍電路；
c、電源模塊輸出端引線縮短以減少噪聲耦合，有條件必要時可用金屬殼屏蔽外界干擾。
三、如何進(jìn)一步減小紋波噪聲
在一些音頻及視頻的系統(tǒng)中，甚至?xí)驗榧y波噪聲過大，導(dǎo)致圖像顯示異常、音頻工作故障，因此在系統(tǒng)的設(shè)計中，降低各個器件的紋波噪聲顯的尤為重要。
1.降低輸入前端的低頻紋波：
通常情況下低頻的紋波相對噪聲要好處理的很多，只需要增加濾波措施就可以將它們解決。一說到濾波措施，首當(dāng)其沖想到的就是各種類型的電容及電感濾波電路：LC、Π型濾波等等。或者在一些條件允許的系統(tǒng)中，也可以在前端及后端增加穩(wěn)壓器件，來降低紋波噪聲，在這種情況下該部分的紋波噪聲則完全由穩(wěn)壓器件的性能決定。同時針對不同頻率的紋波對應(yīng)的濾波器件也會有所不同，通常電解電容用于濾除低頻紋波，而陶瓷電容則對中高頻濾波效果較好，因此在頻率100KHz以上的開關(guān)電源后面我們建議使用陶瓷電容，這樣濾波效果會更好。
2、降低線路寄生及耦合導(dǎo)致的紋波噪聲：
在電源模塊中帶來該類型的紋波噪聲的通常是導(dǎo)線上的寄生電容電感、變壓器的寄生電容電感、不同器件之間的寄生電感電容等等。這一類型的紋波噪聲通常以共模的形式存在，因此降低這種類型的紋波噪聲的方法除了盡可能的從設(shè)計上改善以上寄生參數(shù)外（如優(yōu)化工藝設(shè)計及PCB走線等等），還可以施加共模濾波方案。如下圖的共模電容及共模電感為常規(guī)的共模濾波器件：
