开关电源都有纹波,这是它的工作原理决定的——开关管不停开关,输出端必然有一定的交流成分叠加在直流上。纹波太大的话会影响后端电路工作,比如 DAC 输出有噪声、单片机偶尔复位、功放有杂音。怎么正确测量纹波?很多人测出来的数偏大或者偏小,其实方法不对。
最标准的测量仪器是示波器,但不能直接把探头夹到输出的正负极就完了。示波器测纹波有几个关键设置:第一,通道设置选 AC 耦合——因为纹波是交流分量,DC 耦合会让你还要手动减去直流分量,AC 耦合直接只看交流部分,方便得多。第二,时基设置要够快——开关频率通常在几十 kHz 到几百 kHz 之间,时基调到 10μs/div 到 1μs/div 比较合适,这样能看清一个开关周期内的纹波波形。第三,通道垂直灵敏度——既然是纹波,幅度一般在几 mV 到几十 mV 之间,垂直刻度要调到 1mV/div 到 10mV/div,才能看清细节。
探头怎么接是重点。开关电源的输出电流比较大,PCB 上的走线电阻、电感都会影响纹波的分布,所以探头要尽量放在靠近负载的位置——如果负载在板子另一端,就在负载电源引脚那里测,而不是在电源模块输出端测。接地同样重要:探头的接地夹不要随便夹在附近的螺丝上,应该夹在被测点附近最近的地线(比如旁边的电容接地脚),这样避免引入额外的回路电感。如果有接地弹簧针,换上更好。
纹波的数值怎么读?示波器上看到的纹波波形,一般是一个"高频小波纹"叠加在一个"低频包络"上——高频的那个对应开关频率,低频的那个通常是输入交流电源的 50/60Hz 倍频(比如 100Hz 或 120Hz)。我们通常说的"纹波"指的是纹波的峰峰值(Vpp),示波器上直接量波形最高点到最低点的垂直距离就是 Vpp。有些时候也会关注纹波的有效值(Vrms),但工程上 Vpp 更常用、更直观。
常见的坑点:第一,没开 AC 耦合,结果直流分量太大,波形显示不下,就手动调垂直位置,最后量出来的纹波完全不准。第二,探头的衰减比设错了——10x 的探头在示波器上没设成 10x,量出来差 10 倍。第三,接地夹太长、接得太远,测出来的纹波里混进了其他信号或者被放大了。第四,电源没接负载或者负载太轻时测纹波——很多开关电源在轻载时纹波会变大,甚至出现音频噪声(变压器啸叫),要在额定负载或者接近实际负载的条件下测。
测出来纹波大怎么办?先确认测量方法有没有问题,排除掉测量本身的误差后再看电源设计。常见的改善方法:增大输出端滤波电容容量(或者并联更多小容量不同规格的电容)、改善 PCB 布局让高频回路面积变小、优化开关频率、用更好的 LDO 或者 π 型 LC 滤波。
总结一下:AC 耦合、靠近负载测、探头接地就近、量 Vpp——注意这几点,测出来的纹波数值就能比较靠谱地反映电源的真实水平。
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