纹波电压

定义

纹波电压指直流输出中残留的交流波动,是输出端子间与输入交流频率或电源开关频率同步的成分,其幅值一般用峰峰值表示,也可用有效值描述^[1]。理想的直流电压应当是平直的定值,而实际稳压电源的输出近似为恒定直流与一个交变成分的叠加,后者即为纹波^[2]。

纹波的波形并非单一正弦,而是若干谐波与窄脉冲的复合,周期与振幅都可能变化;除整流稳压环节留下的交流成分外,内部元件的开关动作也会在输出端产生与开关频率一致的分量^[3]。相对量常用纹波系数表示,即纹波电压的有效值与输出直流电压之比,例如输出100 V、纹波有效值10 mV时,纹波系数为0.01%^[4]。

在术语界定上存在宽严之别。日本电子信息技术产业协会(JEITA)把与50 Hz或60 Hz工频同步的低频成分划为纹波,而把开关动作产生的数十千赫以上成分归为噪声,二者兼有者称纹波噪声;但讨论现代开关电源时,与开关频率同步的周期波动也常被一并称作纹波^[5]。

原理

纹波的根本来源是能量传递的间歇性。以常见的开关变换器为例,开关管导通期间能量由输入侧迅速送往负载,输出电压随之抬升;关断期间没有能量输入,负载依靠电感与电容储能放电,电压略有下降,如此循环便形成周期波动^[6]。对交流供电的电源,整流后的波形仍保留在二倍工频上起伏的成分,平滑电容容量不足时这部分会留在输出端;因此纹波中往往同时包含低频与高频两种分量^[6]。

从工程计算看,输出纹波可分解为电容充放电、等效串联电阻与等效串联电感三部分贡献。东芝给出的估算式分别为 $V_{ripple\_ESR}=\Delta I \times ESR$、$V_{ripple\_Cap}=\Delta I/(8 C_{OUT} f_{PWM} \cdot 2)$ 以及 $V_{ripple\_ESL}=V_{SW} \times ESL / L$^[7]。由这些式子可以看出,提高开关频率、增大输出电容或降低等效串联电阻,都能减小纹波峰峰值^[8]。

flowchart LR

A[开关管导通] --> B[能量传递至输出]

B --> C[输出电压上升]

C --> D[开关管关断]

D --> E[电感电容放电]

E --> F[输出电压下降]

F --> A

抑制纹波的主要手段是滤波。在整流电路之后加装对纹波频率呈高阻抗的平滑滤波器,可以削弱交流成分并改变直流输出水平;稳压环节则能进一步压制残余纹波^[2]。工程实践中还常用加大滤波电容、采用 LC 或多级滤波网络等做法,并针对不同频段的纹波分别设计对策^[3]。

发展历程

纹波问题与整流技术同时出现。交直流转换的第一步是把交流电送入整流器,此时输出纹波极大,峰峰纹波电压近似等于交流峰值减去整流二极管的通态压降;早期的真空管整流器通态压降可达 25 至 67 V,硅二极管约为 0.7 V^[2]。这一时期的电源依靠变压器、整流器、稳压电路与滤波网络构成,输出纹波通常表现为幅度不大、频率为 100 Hz 的信号^[9]。

开关电源普及后,纹波的主频从工频倍数转向开关频率,可达数十千赫至数兆赫,纹波与高频噪声的分离随之成为专门课题。为使不同厂商的测试结果可比,日本电子信息技术产业协会陆续发布 RC-9131A、RC-9131B 等开关电源试验方法,对纹波与噪声的测量接法作出规定^[10]。近年也有基于脉冲宽度占空比比较方式的专用纹波计出现,以便把开关纹波从尖峰噪声中分离出来并数值化^[11]。

应用

纹波指标广泛用于电源选型与验收。开关电源的数据手册通常给出以毫伏峰峰值计的纹波噪声规格,该数值一般涵盖工频纹波、开关频率噪声以及兆赫级尖峰三类成分^[12]。在计算机电源领域,常见规范要求 +12 V 输出纹波峰峰值不超过 120 mV,+5 V 与 +3.3 V 不超过 50 mV^[3]。

测量是应用环节的关键。示波器需置于交流耦合、限制带宽(常见 20 MHz),并以短接地方式就近在输出端取样,否则接地环路会引入额外杂讯^[13]。日本电子信息技术产业协会 RC-9131A 规定了更细的接法:在距输出端子 150 mm 以内接入同轴电缆,并在该点并接电容,电缆末端以电阻与电容串联端接^[10]。

纹波水平还可作为设备维护的判据。开关电源中的电解电容属于有寿命元件,其容量衰减会直接推高输出纹波,因此在工业现场定期测量纹波电压,被用作判断电容是否需要更换的定量参考^[14]。对于激光器电源等对稳定性要求高的场合,纹波更是关键的考核项^[15]。

局限

纹波无法彻底消除。即便使用电池供电,负载波动也会带来输出起伏,最精密的基准电压源器件同样存在残余波动,厂商能做到的只是把幅度压到较低水平^[16]。开关电源的纹波通常低于 1%,而调压器类电源在输出范围内约为 5%,这一差别源于工作原理而非工艺优劣^[17]。

测量本身亦缺乏统一方法。各厂商乃至同一厂商的不同产品可能采用不同的测量接法与带宽,示波器带宽有取 20 MHz 也有取 100 MHz 的,附加的电容、电阻、同轴线也各不相同,因此数据手册上的纹波值不能简单横向比较,须按其规定的测试条件复现^[10]。用普通示波器目视读取时,亮度较高的粗线段与较暗的尖峰对应不同读数,纹波数值实际上随分离门限而变^[18]。

此外,降低纹波往往要付出代价。增大电容或加深滤波会占用体积与成本,提高开关频率虽能减小纹波,却带来更多开关损耗与高频噪声;纹波与效率、体积、成本之间需要折中^[8]。纹波与电压调整率也不是同一概念,前者指直流中的交流成分,后者描述直流电平的漂移,两者表现未必一致^[3]。

参见

• 开关电源 —— 以高频通断方式变换电能,是纹波的主要来源之一。

• 线性稳压器 —— 通过耗散方式稳定输出,可进一步压低残余纹波。

• 整流电路 —— 交直流转换环节,其输出纹波与整流型式直接相关。

• 滤波器 —— 用于削弱纹波频率成分的无源或有源网络。

• 纹波系数 —— 以纹波有效值与直流输出电压之比衡量纹波相对大小。

• 示波器 —— 观察与测量纹波波形的常用仪器。