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Back to top輸出漣波電壓量測
緒論
- 漣波電壓
漣波電壓一般指的是直流電源上出現的交流電壓變化量。漣波電壓的產生主要是轉換器將交流電壓轉換成直流電壓，但是輸出電壓中的交流成分無法完全消除所造成的現象。舉個例子，圖1為橋式整流器示意圖，整流器輸出端接了濾波電容器。虛線為全波整流前的電壓波形，實線為經過電容濾波後的值流電壓波形，漣波電壓指的就是實線的峰對峰值。
圖1中展示的漣波電壓是屬於較低頻的漣波電壓，在較高頻的應用，如交流轉直流或直流轉直流轉換器，漣波電壓的頻率就會比較高。圖2為直流轉直流轉換器示意圖，由於轉換器內部有開關元件，開關切換的過程中會產生電壓雜訊，並透過變壓器耦合到二次測，最終在輸出電容端所量測到的漣波電壓，是有包含雜訊成分的漣波電壓。
- 量測方式
一般量測電壓的方式，是使用電壓探棒，量測待測物的輸出端或負載端，並透過示波器顯示輸出電壓的大小，如圖3所示。但如果是要量測漣波電壓，這種方式所量測到的波形就容易受到干擾。
圖4為使用一般量測方式所測得的漣波電壓，可以看到在雜訊的部分明顯比較高。這最主要是由於探棒的地線較長，對於探棒的量測路徑等於是增加了寄生電感，造成輸出電壓的波形出現雜訊，這並非是由產品造成的現象，因此容易有誤判的情況發生，所以正確的量測方式是很重要的。
圖5為常見的輸出電壓漣波量測方式，從圖中可以看出，轉換器輸出端外接濾波電容，這個電容的目的是抑制雜訊，所以電容值通常不會太高，大多在0.1uF~1uF左右。首先探棒要使用短接地的方式進行量測動作，量測點從負載改成輸出電容端，以上動作的目的都是在避免量測到雜訊。圖6就是短接地與無短接地的漣波差異圖，可以看出如果使用短接地的量測方法，才能正確的量測轉換器的漣波電壓。
大多數的漣波電壓量測都是示波器與待測物距離比較近的情況，如果距離比較遠那可能就不適合使用電壓探棒進行量測，比較適合的方式是使用50Ω的BNC接頭跟同軸導線進行遠距離的量測，如圖7所示。這邊要注意的是，同軸電纜出線端至電容與示波器的線長越短越不容易接收干擾。
本次的量波電壓量測方式，皆使用電壓探棒，並使用短接地的量測方式進行量測。
常見外接對策
以下將舉例幾個常見的漣波電壓抑制方式
- 電容器
在轉換器的輸出端外接電容器，是一個很直接可以降低輸出電壓漣波的方式，如圖8所示。
以全波整流器的漣波電壓公式為例
Vpp為漣波電壓的峰對峰值 ; I為電流 ; f為操作頻率 ; C為電容.
可以看到，漣波電壓與電容成反比，也就是電容越大，漣波電壓越小，由此可知外接電容有助於抑制漣波電壓。
- 低通濾波器
如果想要進一步的抑制漣波電壓，由電感與電容組合而成的低通濾波器也是一個很好的選擇，如圖9所示。
可以透過頻率響應的觀點，試著計算L, C的參數
f0為截止頻率, Q為品質因素, RL為等效負載
將公式3帶入公式2，分別可以得到L與C的對應公式
品質因素與負載阻抗, LC濾波器有關，主要可以分為過阻尼, 臨界阻尼與欠阻尼三條曲線，如圖10所示。理想情況下，使用臨界阻尼作為LC濾波器的參數最為適合。
- 共模濾波電感
共模電感最主要的目的是在抑制共模雜訊，由於電源模組內部的開關元件切換時容易產生切換雜訊，這些雜訊也可能會透過輸出端傳到負載端，而常見的接線方式如圖11所示。
共模濾波電感器最主要的應用是EMI濾波器，而非抑制輸出電壓漣波。但是，共模濾波電感內部還是有漏感，在實際線路中，漏感剛好是最為差模率波應的應用，類似LC率波器，所以共模濾波電感還是能對漣波抑制有一些作用。
- 電容倍增電路
電容倍增電路，如圖12所示，主要是透過電晶體的作用，對於輸出端來說，有著將C1放大的效果，類似在輸出端有著很大的電容，適合用在有體積限制，又需要低漣波電壓的應用，可以利用這個線路作為一個大的電容器，尤其是在有負載情況下可以有很好的漣波抑制效果。
電容倍增電路的等效電容，相當於是將C1成上電晶體Q1的電流增益(β)。首先我們可以先從電路中的RC低通濾波器來看，如圖13(a)，如果想要抑制電壓漣波，C1的容值就必須要很大。如果在這之中加上一顆電晶體，如圖13(b)，C1供給輸出端的電流縮小了約 β倍，換句話說，就是 C1 的電容值對於輸出端等於被放大了約 β倍。
電容倍增電路也是有缺點，由於電晶體Vce的電壓會隨著流過的電流變化，會造成輸出端有一定的電壓降，可能是從0.65V到3V不等。因此，這個適合用在電流很小且電壓精準度不高的應用，如OP放大器或者是DAC的電源。
實際範例
以下將使用一特定的直流轉直流轉換器，透過不同的漣波電壓抑制線路，量測之前與之後的漣波電壓差異。轉換器為一寬輸入電壓範圍從9到36V輸入，5V輸出穩壓轉換器，輸出功率為30W，輸出電流為6A，規格如表1所示。
| DC to DC Converter | PF30WR4-2405 |
| Input voltage | 24 Vdc |
| Output | 5 Vdc / 6A |
| Operating frequency | 400kHz |
| Ripple & noise | 75mVp-p (max) |
- 電容器
圖14為使用短接地的方式量測轉換器輸出端的漣波電壓，從圖中可以看出，無外接電容器時，輸出電壓漣波的峰對峰值大約100mV左右，由於無額外的雜訊抑制對策，所以電壓探棒量測到很高的電壓雜訊，大約有445.9mV。
為了抑制輸出電壓漣波與雜訊，最常見與簡單的外接對策就是外接電容器，圖15為外接一個22uF的MLCC所量測的輸出電壓漣波，從圖中可以看到整體的漣波電壓被有效的抑制，從445.9mV變成30mV。
另外，圖16是額外將輸出電容再加大1倍，使用了兩顆22uF的MLCC，從波形中可以看到，輸出電壓漣波變的更低，峰對峰值是19.5mV。因此，在轉換器輸出端外接電容，確實可以有效抑制輸出電壓漣波。
- 低通濾波器
圖17為低通濾波器的示意圖，從轉換器規格表中得知操作頻率為400kHz。先設定截止頻率為40kHz，品質因素設定0.707，透過公式4與5，可以算出電感為4.69uH以極電容為3.376uF。最終選擇4.7uH的電感與兩顆2.2uF的MLCC作為輸出的低通濾波器。圖18為輸出電壓漣波量測圖，圖中有濾波前後的比較，可以看到經過低通濾波器之後，漣波與雜訊都被有效的抑制。
- 共模濾波電感
圖19為使用共模電感作為輸出電壓濾波器的示意圖，本次實驗使用A151, T16x12x8C的鐵芯，繞製的圈數為10圈，主感量為0.35mH，漏感量為3.18uH。C1與C2使用0.22uF。
圖20為共模濾波器的示意圖，可以看到漏感在線路中是做為差模電感，形同於兩個低通濾波器，因此輸出電壓漣波抑制效果比低通濾波器更好一些。圖21為實際量測波型，確實漣波電壓比單獨的低通濾波器還要低，但是缺點是整體占用的體積較多。
- 電容倍增電路
圖22為本次實驗的示意圖，線路的參數如下
Q1使用ROHM電晶體，型號為2SCR552PT100.
R1使用1kΩ.
C1使用4.7uF.
由於電容倍增電路主要適合在訊號等級使用，不適合用在大電流的應用，因此本次實驗的輸出電流限制在0.2A。圖23為實際測試波形圖，可以看到抑制前、後的差異，抑制前的漣波約為97mV，抑制後的漣波為12.8mV，確實可以有效抑制電壓漣波。但主要的缺點還是在只能應用在訊號使用，無法應用在更高的輸出功率。
- 結論
本文初步的介紹有關於漣波電壓的形成，以及正確的漣波電壓量測方式，以及提供了四種漣波電壓抑制方式，並量測不同對策方式的漣波電壓，
表2為四個濾波器的綜合評比分數，分數越低的表示越好，從綜合得分來看，只外加電容還是最適合的漣波抑制方式，不僅體積最小且有一定的效果。
第二與第三是低通濾波器以及共模濾波電感，只要是需要外接電感以及共模電感，在零件數以及整體面積占用較多，但是效果比較好，因此還是很多低漣波應用都使用這兩種應用方式。第四為電容倍增電路，對於漣波電壓抑制效果不錯，但只能應用在低電流的訊號使用，限制了應用範圍。
| C | LC filter | CMC filter | C multiplier | |
| Part count | 1 | 2 | 3 | 3 |
| Layout space | 1 | 2 | 3 | 3 |
| Ripple & Noise suppression | 2 | 1 | 1 | 1 |
| Output current | 1 | 1 | 1 | 3 |
1→好, 2→中等, 3→較差
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