在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開關(guān)電源因其高效、緊湊等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。其中，反激式開關(guān)電源以其簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和較低的成本，在中小功率應(yīng)用場(chǎng)景中占據(jù)了重要地位，如手機(jī)充電器、LED 驅(qū)動(dòng)電源等。然而，反激式開關(guān)電源輸出電壓中存在的紋波問題，可能會(huì)對(duì)負(fù)載設(shè)備的性能產(chǎn)生不良影響。因此，準(zhǔn)確測(cè)量反激式開關(guān)電源的紋波，對(duì)于評(píng)估電源質(zhì)量、優(yōu)化電源設(shè)計(jì)以及保障負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

反激式開關(guān)電源工作原理

反激式開關(guān)電源的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由開關(guān)管、變壓器、輸出整流二極管和輸出濾波電容等組成。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器初級(jí)繞組有電流流過，電能以磁場(chǎng)能的形式存儲(chǔ)在變壓器中，此時(shí)次級(jí)繞組的整流二極管反偏截止，負(fù)載由輸出濾波電容供電。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組電流迅速減小，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，整流二極管導(dǎo)通，變壓器將存儲(chǔ)的能量傳遞給負(fù)載，同時(shí)對(duì)輸出濾波電容充電。通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間(即占空比)，可以調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。

紋波產(chǎn)生的原因

電容充放電

輸出濾波電容在開關(guān)管導(dǎo)通期間向負(fù)載放電，電壓逐漸下降;在開關(guān)管關(guān)斷期間，變壓器向電容充電，電壓上升。這種電容的周期性充放電過程導(dǎo)致了輸出電壓的波動(dòng)，形成了紋波。電容的容量和等效串聯(lián)電阻(ESR)對(duì)紋波大小有顯著影響。一般來說，電容容量越大，紋波越小;ESR 越大，紋波越大。例如，若電容容量不足，在放電過程中電壓下降速度會(huì)加快，從而使紋波增大。

變壓器漏感

實(shí)際的變壓器存在漏感，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，漏感中的能量會(huì)與電路中的寄生電容產(chǎn)生諧振，形成高頻振蕩，這部分振蕩會(huì)疊加在輸出電壓上，增加了紋波的高頻成分。而且，漏感還會(huì)導(dǎo)致開關(guān)管關(guān)斷瞬間產(chǎn)生較高的電壓尖峰，進(jìn)一步影響輸出紋波。

開關(guān)管的開關(guān)過程

開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間，電流和電壓會(huì)發(fā)生快速變化，產(chǎn)生高頻噪聲。這些噪聲會(huì)通過電路的寄生參數(shù)耦合到輸出端，成為紋波的一部分。例如，開關(guān)管的上升時(shí)間和下降時(shí)間越短，產(chǎn)生的高頻噪聲幅度可能越大，對(duì)紋波的影響也就越明顯。

紋波測(cè)量方法

示波器測(cè)量法

這是最常用的紋波測(cè)量方法。

帶寬設(shè)置：電源紋波主要是低頻成分，為了濾除高頻噪聲干擾，通常將示波器帶寬限制在 20MHz。因?yàn)殡娫瓷系念l率成分一般不超過數(shù)十兆赫茲，而過高的帶寬可能會(huì)引入示波器本身或空間輻射的高頻噪聲，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

耦合方式：選擇 AC 耦合模式，這樣示波器只測(cè)量交流分量，即紋波，而忽略直流分量，能更清晰地觀察和測(cè)量紋波波形。

探頭選擇與連接：優(yōu)先選擇具有 X1 檔位的探頭，對(duì)于小信號(hào)測(cè)量，10X 探頭會(huì)將信號(hào)衰減 10 倍，可能使信號(hào)淹沒在示波器底噪中，影響測(cè)量精度。探頭接地也非常關(guān)鍵，應(yīng)使用短接地線，盡量將接地環(huán)直接連接到待測(cè)點(diǎn)附近的地平面，以減小接地環(huán)路面積，避免板子上的高頻信號(hào)穿過環(huán)路產(chǎn)生干擾電壓。

同軸電纜測(cè)量法

使用 50Ω 同軸線，一端剪斷后直接焊接到負(fù)載端的電容上，焊接線越短越好，以減少干擾。將同軸線的另一端連接到示波器，并將示波器設(shè)置為 50Ω 輸入模式，選擇 1X 檔位。由于電源內(nèi)阻通常很低，示波器的 50Ω 輸入作為負(fù)載對(duì)電源性能影響較小，通過這種方法可以有效避免信號(hào)衰減和噪聲干擾，更精準(zhǔn)地測(cè)量紋波。

測(cè)量?jī)x器的選擇

示波器

示波器的帶寬應(yīng)滿足測(cè)量需求，對(duì)于紋波測(cè)量，一般至少 100MHz 帶寬的示波器較為合適。同時(shí)，要關(guān)注示波器的垂直分辨率和噪聲性能，垂直刻度應(yīng)調(diào)整為每一格代表的電壓盡可能小，以提高儀器靈敏度，確保能準(zhǔn)確測(cè)量紋波的細(xì)微變化。部分示波器還具備高分辨率模式，在需要更清晰的紋波波形時(shí)可啟用該模式。

探頭

除了上述提到的探頭檔位選擇，還應(yīng)注意探頭的帶寬與被測(cè)信號(hào)頻率范圍的匹配。對(duì)于電源紋波測(cè)量，市場(chǎng)上常見的 20MHz 帶寬探頭基本能滿足需求。此外，探頭的質(zhì)量也很重要，應(yīng)確保其具有良好的屏蔽性能，減少外界干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

測(cè)量過程中的注意事項(xiàng)

測(cè)量點(diǎn)選擇

紋波測(cè)量點(diǎn)應(yīng)靠近負(fù)載，例如在 CPU 供電管腳上的去耦電容處測(cè)量。若一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為多個(gè)耗電大的 IC 供電，需逐一測(cè)量這些關(guān)鍵 IC 電源管腳的紋波水平，以全面評(píng)估電源質(zhì)量。

環(huán)境因素

盡量在干擾少的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，減少外界噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。同時(shí)，要注意電源本身的工作狀態(tài)，確保其在正常負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)量，以獲得準(zhǔn)確反映實(shí)際應(yīng)用情況的紋波數(shù)據(jù)。

多次測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

為提高測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量并取平均值。同時(shí)，仔細(xì)觀察紋波波形的變化，分析其是否存在異常，如是否有明顯的高頻尖峰或低頻波動(dòng)等，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)電源設(shè)計(jì)或工作中的問題。

結(jié)論

反激式開關(guān)電源的紋波測(cè)量是評(píng)估其性能的重要環(huán)節(jié)。通過深入理解紋波產(chǎn)生的原理，選擇合適的測(cè)量方法和儀器，并嚴(yán)格遵循測(cè)量注意事項(xiàng)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量紋波，為電源設(shè)計(jì)優(yōu)化、故障排查以及負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支持。在實(shí)際應(yīng)用中，不斷優(yōu)化測(cè)量技術(shù)和分析方法，將有助于進(jìn)一步提升反激式開關(guān)電源的性能和可靠性，滿足日益增長(zhǎng)的電子設(shè)備對(duì)高質(zhì)量電源的需求。