DC/DC 模塊的電源紋波正確的測(cè)量方案

DC/DC 模塊的電源紋波指標(biāo)是一項(xiàng)很重要的參數(shù)。干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，也是模擬器件的各項(xiàng)參數(shù)的重要保障。為確定電源的質(zhì)量，必須對(duì) DC/DC 模塊的輸出紋波進(jìn)行測(cè)量。但很多人測(cè)量得到的紋波值動(dòng)輒上百mV，甚至幾百mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比器件手冊(cè)提供的最大紋波值大，這主要是測(cè)量方法的不正確造成的。?

正確的測(cè)量方法

1)限制示波器帶寬為 20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產(chǎn)品還有 200MHz 帶寬限制的選擇)，目的是避免數(shù)字電路的高頻噪聲影響紋波測(cè)量，盡量保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2)設(shè)置耦合方式為交流耦合，方便測(cè)量(以更小檔位來(lái)仔細(xì)觀測(cè)紋波，不關(guān)心直流電平).

3)保證探頭接地盡量短(測(cè)量紋波動(dòng)輒上百 mV 的主要原因就是接地線太長(zhǎng))，盡量使用探頭自帶的原裝測(cè)試短針。如果沒(méi)有測(cè)試短針，可以拆除探頭的接地線和外殼，露出探頭地殼，自制接地線纏繞在探頭地殼上，保證接地線長(zhǎng)度小于 1cm。

4)示波器地懸空，只通過(guò)探頭地與測(cè)試信號(hào)的參考點(diǎn)共地，不要通過(guò)其他方式與測(cè)試設(shè)備共地，這樣會(huì)給紋波測(cè)量引入很大的地噪聲。例如：當(dāng)示波器和其他儀器共插線板時(shí)，其他儀器的開(kāi)關(guān)可能通過(guò)接地線給測(cè)試帶來(lái)噪聲干擾。其中第 3 條是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。接地線過(guò)長(zhǎng)，其電感效應(yīng)將給測(cè)量系統(tǒng)引入額外的噪聲， 如下圖所示。

5）對(duì)示波器的要求

示波器參數(shù)要求：支持帶寬限制功能：一般示波器都支持 20MHz 帶寬限制。探頭要求：為了使接地線盡量短，盡量使用探頭的原裝測(cè)試短針，若無(wú)原裝測(cè)試短針，則須自制短接地線：去除探頭接地線套，用金屬絲自行繞制接地短線，推薦五類線中銅絲，強(qiáng)度適中(還是有些偏軟，有更好的請(qǐng)推薦)。其他候選有焊錫絲、刻刀。選擇 1X 無(wú)衰減檔位，一般無(wú)源探頭在1X 檔位時(shí)，其帶寬限制在

6MHz/10MHz帶寬，如此在前端可有效濾除高頻噪聲的干擾，減小紋波測(cè)量影響。

6）靠接方法測(cè)試紋波：

模塊電源的輸出端存在差模和共模兩種噪聲,同時(shí)紋波噪聲容易受到環(huán)境中隨機(jī)噪聲及電源輻射噪聲的影響. 探頭地線的寄生電感與示波器輸入電容形成LC 諧振電路，將高頻噪音放大，探頭地線會(huì)感應(yīng)電源模塊的輻射噪音，所以必須把探頭地線移掉。因此,為了客觀地測(cè)量開(kāi)關(guān)電源輸出的紋波-噪聲，所有的模塊電源廠家都推薦采用靠接的方法，并且示波器帶寬限制為20MHZ。

圖 1 錯(cuò)誤的紋波測(cè)量得到的較差的測(cè)量結(jié)果

精確地測(cè)量電源紋波本身就是一門藝術(shù)。在圖 1 所示的示例中，一名初級(jí)工程師完全錯(cuò)誤地使用了一臺(tái)示波器。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針；他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開(kāi)關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問(wèn)題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號(hào)電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

利用正確的測(cè)量方法可以大大地改善測(cè)得紋波結(jié)果。首先，通常使用帶寬限制來(lái)規(guī)定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應(yīng)該為用于測(cè)量的示波器設(shè)定正確的帶寬限制。其次，通過(guò)取掉探針“帽”，并構(gòu)成一個(gè)拾波器（如圖 2? 所示），我們可以消除由長(zhǎng)接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點(diǎn)周圍， 并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長(zhǎng)度， 從而進(jìn)一步減少拾波。最后，在隔離電源中，會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計(jì)的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測(cè)量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測(cè)量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

圖 2 四個(gè)輕微的改動(dòng)便極大地改善了測(cè)量結(jié)果

實(shí)際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至?xí)谩Ｔ陔娫春拖到y(tǒng)其他組件之間幾乎總是會(huì)存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會(huì)存在額外的旁路電容，它們就是電源的負(fù)載。這二者共同構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時(shí)流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導(dǎo)體時(shí)，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會(huì)得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會(huì)在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師應(yīng)該能夠找到在其測(cè)試過(guò)程中如何運(yùn)用這種方法的途徑。