谐波、纹波、噪声详解

纹波纹波：是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号。

指在额定输出电压、电流的W况下，输出电压中的交流电压的峰值。

狭义上的纹波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

纹波的成分较为复朵，它的形态一般为频率高于工频（中国是50Hz）的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。

对于不同的场合，对纹波的要求各不一样。

对于电容器来说，无论是哪一种纹波，只要不是太大，一般对电容器质量不会造成影响。

而对工控机电源或音响设备中所使用的电源，山于宽度很窄的脉冲没有足够的能量来推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。

因此对于这种窄脉冲的要求可以放宽。

而对于音频范W内的类似正弦波的纹波信号，虽然其幅度不是太高，但其能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。

因此对这种形态的纹波应有一定的要求, 而对于用于一些控制的场合，山于窄脉冲达到一定的高度会干扰数字或逻辑控制部件，使设备运行的可鼎性降低，因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制, 而对类似正弦波的纹波，一般山于其幅度较低，对控制部件的干扰不大。

纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相对量来表示。

例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V/5A,测得纹波的有效值为lOmV,这lOmV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数二纹波电压 /输出电压=10mv/100V=0. 01%,即等于万分之一。

纹波就是一个直流电压中的交流成分。

直流电压本来应该是一个固定的值, 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，山于滤波不干净，就会有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。

事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电圧也是有波纹的。

要体验，可以用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样, 所以叫做纹波。

一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较小的交流电压。

如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。

将示波器的输入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。

噪声噪声：对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对U的信号以外的所有信号的一个总称。

最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声的那些电子信号，称为噪声。

但是，一些非U的的电子信号对电子线路造成的后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。

例如，把造成视屏幕有白斑条纹的那些电子信号也称为噪声。

可能以说，电路中除U的的信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都可称为噪声。

例如，电源电压中的纹波或自激振荡，可对电路造成不良影响，使音响装置发出交流声或导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。

对于这种纹波或振荡，都应称为电路的一种噪声。

乂有某一频率的无线电波信号，对需要接收这种信号的接收机来讲，它是正常的U的信号，而对另一接收机它就是一种非U的信号，即是噪声。

在电子学中常使用干扰这个术语，有时会与噪声的概念相混淆，其实，是有区别的。

噪声是一种电子信号，而干扰是指的某种效应，是山于噪声原因对电路造成的一种不ft反应。

而电路中存在着噪声，却不一定就有干扰。

在数字电路中。

往往可以用示波器观察到在正常的脉冲信号上混有一些小的尖峰脉冲是所不期望的，而是一种噪声。

但山于电路特性关系，这些小尖峰脉冲还不致于使数字电路的逻辑受到影响而发生混乱，所以可以认为是没有干扰。

当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。

而一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压，称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。

一般说来，噪声很难消除，但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。

例如，把造成视屏幕有白班呀条纹的那些电子信号也称为噪声。

可能以说，电路中除U的的信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都可称为噪声。

例如，电源电压中的纹波或自激振荡，可对电路造成不良影响, 使音响装置发出交流声或导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。

谐波谐波：是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

从广义上讲，山于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。

谐波产生的原因：山于正弦电压加压于非线性负载，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，基波电流发生畸变就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

下面主要讲解开关电源中的纹波和噪声开关电源（包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块）与线性电源相比较，最突出的优点是转换效率高，一般可达80%〜85%,高的可达90%〜97%；其次，开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，不仅巫量减轻，体积也减小了，因此应用范围越来越广。

但开关电源的缺点是山于其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压的1%左右（低的为输出电压的0.5%左右），最好产品的纹波和噪声电压也有儿十mV；而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也较小，其单位是uVo 简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。

纹波和噪声产生的原因开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。

纹波是输出直流电圧的波动，与开关电源的开关动作有关。

每一个开、关过程，电能从输入端被"泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程, 从而造成输出电圧的波动，波动频率与开关的频率相同。

纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰（EMI）,它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。

开关电源自身产生的噪声是一种髙频的脉冲-T H Ilf发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。

噪声脉冲审的频率比开关频率商得多, 噪声电压是其峰峰值。

噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图1所示。

纹波的频率与开关管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。

纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-po图1纹波和噪声的波形纹波和噪声的测*方法纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。

U前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法, 它能精准地测出纹波和噪声电压值。

山于开关电源的品种繁多（有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等），但是各生产厂家都采用示波器测量法，仅测量装置上不完全相同，因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准，即企业标准。

用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图2所示。

它山被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。

有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。

从图2来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。

测纹波和噪声电压的要求如下：•要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受EMI的影响; •要防8止负载电路中可能产生的EMI干扰；•对小型开关型模块电源，山于内部无输出电容图2示波器测量框图或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。

为满足第1条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线（消除共模噪声干扰）或同轴电缆：一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。

为满足第2点，负载应采用阻性假负载。

经常有这样的1W况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和噪声这一性能指标时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致双绞线测量装置双绞线测量装置如图3所示。

釆用300mm （12英寸）长、#16AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连接，在+OUT与-OUT之间接上阻性假负载。

在双绞线末端接一个4TPF电解电容（ffl电容）后输入带宽为50MHz （有的企业标准为20MHz）的示波器。

在测量点连接时，一端要接在+OUT 上，另一端接到地平面端。

图3双绞线测量装置这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。

平行线测量装置平行线测量装置如图4所示。

图4中，C1是多层陶瓷电容（MLCC）,容量为1 口F, C2是ffl电解电容，容量是lOuFo两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%o该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI干扰。

图4平行线测量装置专用示波器探头图5所示为一种专用示波器探头直接与波测电源第J接。

专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极（GND）,接触要可黑。

这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如图6所示。

图6通用探头易造成干扰同轴电缆测量装置这里介绍两种同轴电缆测量装置。

图7是在被测电源的 输出端接R 、C 电路后经输入同轴电缆（50Q ）后接示波器的AC 输入端：图8 是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端审接1个0・68 U F 陶瓷电容 及1个47Q/1W 碳膜电阻后接入示波器。

T 形BNC 连接器和电容电阻的连接如 图9所示。

■ ； II ・一 __ TZ「 ) OfMCpt纹波和噪声的测量标准以上介绍了多种测量装置，同一个被测电源若采用不同 的测量装置，其测量的结果是不相同的，若能釆用一样的标准测量装置来测， 则测量的结果才有可比性.图9"连5容2GWce图8同轴电缆测量装置2b图10测量标准的测量装置国家标准规定在彼测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及C3, C2为22uF电解电容，C3为0・47uF薄膜电容。

在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5in长的50Q同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50Q的电阻R和弗接一个4700pF的电容Cl后接入示波器，示波器的带宽为lOOMHzo同轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。