一個(gè)簡單可靠的電源紋波的測試方法

隨著開關(guān)頻率和開關(guān)速度不斷的提升，在使用開關(guān)型的DC/DC電源的時(shí)候，要特別關(guān)注輸入輸出電源的紋波。但是測量DC/DC電源的紋波和噪聲沒有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠家的測試環(huán)境以及測試標(biāo)準(zhǔn)都不太一樣，導(dǎo)致很多人很迷惑。這篇文章提供了一個(gè)簡單可靠的電源紋波的測試方法，這種測試方法的可復(fù)現(xiàn)性很好，并且不需要帶寬很高的示波器和探頭。

這篇文章適合用于測量開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入以及輸出紋波，包括電荷泵，但是不適用于低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。

紋波和噪聲Ripple and Noise

紋波和噪聲指的是在DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入輸出電容上的交流耦合信號(hào)，在測試中，一般我們會(huì)將這個(gè)信號(hào)帶寬限制到20MHz。

紋波和噪聲主要由以下四項(xiàng)組成。

電源紋波（PWM frequency RIPPLE)，和PWM頻率相同的。這個(gè)紋波表示了輸入和輸出電容上的充放電過程，在最大負(fù)載時(shí)，這個(gè)紋波達(dá)到最大值。這種電壓的波動(dòng)可以通過加大輸入輸出電容、加大輸出電感來減小。

開關(guān)噪聲(SWITCHING NOISE)，這種噪聲發(fā)生在電源的開關(guān)時(shí)刻。雖然開關(guān)噪聲的重復(fù)周期和PWM頻率一致，但是振蕩頻率一般都很高。開關(guān)噪聲新的振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數(shù)以及PCB布板。

工頻噪聲(Recfified main RIPPLE)，一般是交流供電頻率的兩倍。我國供電頻率是50Hz，所以它的紋波主要來自工頻50Hz變壓器。大小取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流，50Hz；對(duì)于全波整流，是100Hz；對(duì)于三相全波整流，300Hz。

非周期性的隨機(jī)噪聲(NOISE)，和AC電源開關(guān)頻率均無關(guān)。

由于現(xiàn)在AC-DC部分大多采用模塊開關(guān)電源，后級(jí)DC/DC電路工頻噪聲比較?。浑S機(jī)噪聲無法量化。所以一般不考慮這兩項(xiàng)的影響，典型的開關(guān)電源紋波噪聲如下圖所示。我們需要測量的是紋波以及開關(guān)噪聲之和。

接下來描述了在錯(cuò)誤以及正確測量電源紋波噪聲的兩種方式。

下圖是一個(gè)錯(cuò)誤的測量方式，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€會(huì)拾取輻射噪聲。示波器的地線和信號(hào)探頭形成的環(huán)路形成了一個(gè)天線。環(huán)路面積越大，在電源PWM切換時(shí)，示波器接受到的開關(guān)噪聲就越大。

在測量中，如何減小拾取的輻射噪聲？最簡單可靠的方法是采用一個(gè)接地環(huán)來測量電源紋波以及噪聲。為了進(jìn)一步的降低測試誤差，可以將示波器探頭和地線直接放在電源輸出電容得兩端。如下圖所示，采用這種方法，在信號(hào)探頭和地線之間的環(huán)路面積很小，所以測量中帶來誤差的噪聲幾乎可以忽略。

因?yàn)楝F(xiàn)在的示波器探頭都附帶有接地環(huán)，所以，不再詳細(xì)描述如何做一個(gè)接地環(huán)了。

1、無源探頭DC耦合測試

使用無源探頭DC耦合測試，示波器內(nèi)部設(shè)置為DC耦合，耦合阻抗為1Mohm，此時(shí)無源探頭的地線接主板地，信號(hào)線接待測電源信號(hào)。這種測量方法可以測到除DC以外的電源噪聲紋波。

如圖4所示，當(dāng)采用普通的鱷魚夾探頭時(shí)，由于地和待測信號(hào)之間的環(huán)路太大，而探頭探測點(diǎn)靠近高速運(yùn)行的IC芯片，近場輻射較大，會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭回路中，使測試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為了改善這種情況，推薦用無源探頭測試紋波時(shí)，使用右圖中的探頭，將地信號(hào)纏繞在信號(hào)引腳上，相當(dāng)于在地和信號(hào)之間存在一個(gè)環(huán)路電感，對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于高阻，有效抑制由于輻射產(chǎn)生的高頻噪聲。更多時(shí)候，建議測試者采用第三種測試方法，將一個(gè)漆包線繞在探頭上，然后將漆包線的焊接到主板地網(wǎng)絡(luò)上，移動(dòng)探頭去測試每一路電源紋波噪聲。同時(shí)無源探頭要求盡量采用1:1的探頭，杜絕使用1:10的探頭。

無源探頭地線兩種處理方法：

對(duì)于示波器，若垂直刻度為xV/div，示波器垂直方向?yàn)?0div，滿量程為10xV，示波器采樣AD為8位，則量化誤差為10x/256 V。例如一個(gè)1V電源，噪聲紋波為50mV，如果要顯示這個(gè)信號(hào)，需要設(shè)置垂直刻度為200mV/div，此時(shí)量化誤差為7.8mV，如果把直流1V通過offset去掉，只顯示紋波噪聲信號(hào)，垂直刻度設(shè)置為10mV即可，此時(shí)的量化誤差為0.4mV。

使用無源探頭DC耦合測試，示波器設(shè)置如下：

（1）1Mohm端接匹配；

（2）DC耦合；

（3）全帶寬；

（4）offset設(shè)置為電源電壓；

2、無源探頭AC耦合測試

使用無源探頭DC耦合需要設(shè)置offset，對(duì)于電源電壓不穩(wěn)定的情況，offset設(shè)置不合理，會(huì)導(dǎo)致屏幕上顯示的信號(hào)超出量程，此時(shí)選擇AC耦合，使用內(nèi)置的擱置電路來濾去直流分量。對(duì)于大多數(shù)的示波器，會(huì)有如下參數(shù)，設(shè)置為AC耦合，此時(shí)測量的為10Hz以上的噪聲紋波。

示波器兩種耦合方式頻點(diǎn)

使用無源探頭AC耦合測試，設(shè)置如下：

（1）1Mohm端接匹配；

（2）AC耦合；

（3）全帶寬；

（4）offset設(shè)置為0；

3、 同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測試

由于無源探頭的帶寬較低，而電源開關(guān)噪聲一般都在百M(fèi)Hz以上，同時(shí)電源內(nèi)阻一般在幾百毫歐以內(nèi)，選擇高阻1Mohm的無源探頭對(duì)于高頻會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象，因此可以選擇用同軸線來代替無源探頭，此時(shí)示波器端接阻抗設(shè)置為50歐，與同軸線阻抗相匹配，根據(jù)傳輸線理論，電源噪聲沒有反射，此時(shí)認(rèn)為測量結(jié)果最準(zhǔn)確。

利用同軸線的測量方法，最準(zhǔn)確的是采用DC50歐，但是大部分示波器在DC50歐時(shí)offset最大電壓為1V，無法滿足大部分電源的測量要求，而示波器內(nèi)部端接阻抗為50歐時(shí)，不支持AC耦合，因此需要外置一個(gè)AC電容，如圖6所示，當(dāng)串聯(lián)電容值為10uF時(shí)，根據(jù)表1可以看到，此時(shí)可以準(zhǔn)確測試到2KHz以上的紋波噪聲信號(hào)。

同軸線DC50測量圖

4、同軸線AC1M歐耦合測試

由于從PMU出來的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內(nèi)，如果采用同軸線DC50外置隔直電容測量方法，低頻噪聲分量損失較為嚴(yán)重，因此改用圖7所示的測量方法，利用同軸線傳輸信號(hào)，示波器設(shè)置為AC1M，這樣雖然存在反射，但是反射信號(hào)經(jīng)過較長CABLE線折返傳輸后，影響是有限的，示波器在R2上采集電壓值可以認(rèn)為仍然可以被參考。

同軸線AC1M測量圖

為了避免反射，在同軸線接到示波器的接口處端接一個(gè)50ohm電阻，使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。

同軸線AC1M測量改進(jìn)圖

5、差分探頭外置電容DC耦合測試

由于示波器的探頭地和機(jī)殼地通過一個(gè)小電容接在一起，而示波器的機(jī)殼地又通過三角插頭和大地接在一起，在實(shí)驗(yàn)室里，幾乎所有的設(shè)備地都和大地接在一起，示波器內(nèi)部地線接法如圖9所示，因此上面介紹的兩種方法都無法解決地干擾問題，為了解決這個(gè)問題，需要引入浮地示波器或者差分探頭。

示波器內(nèi)部地線接法

如圖10所示，為差分接法，由于差分探頭為有源探頭，外置差動(dòng)放大器，可以將待測信號(hào)通過差分方式接入，使示波器的地和待測件地隔離開，達(dá)到浮地效果。但是差分探頭在示波器內(nèi)部只能DC50歐耦合，而offset最大一般不超過1V，因此需要在差分探頭上串聯(lián)隔直電容。使用差分探頭測量時(shí)關(guān)鍵是探頭的CMRR要足夠大，這樣才能有效抑制共模噪聲。

實(shí)測案例（Example）

下圖描述了采用兩個(gè)不同的測試方法得到的Vout波形。電源電路是一個(gè)BUCK轉(zhuǎn)換電路（AAT1121），工作在1.5MHz的開關(guān)頻率，輸出電壓為1.8V/250mA。示波器采用全帶寬測試?？梢钥吹桨殡S著PWM開關(guān)，在綠色的trace2有一個(gè)很高的噪音以及振鈴，但是trace3上卻沒有明顯的噪聲。通過對(duì)比可以看到，測試方法的選擇對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵。

下圖是采用20MHz帶寬限制測試到的電源的紋波以及噪聲。示波器20MHz的帶寬限制是為了防止無源探頭帶入的共模噪聲?？梢钥吹紸AT1121BUCK轉(zhuǎn)換器的紋波噪聲為10mVp-p，幾乎看不到開關(guān)噪聲。這主要是歸功于BUCK控制器的低噪聲設(shè)計(jì)，良好的PCB設(shè)計(jì)，以及恰當(dāng)?shù)臏y試方法。

總結(jié)

下面總結(jié)一下正確的測量DC/DC開關(guān)電源紋波和噪音的方法。

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量，盡量保證測量的準(zhǔn)確性。

2)設(shè)置耦合方式為交流耦合，方便測量(以更小檔位來仔細(xì)觀測紋波，不關(guān)心直流電平)。

3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動(dòng)輒上百mV的主要原因就是接地線太長)，盡量使用探頭自帶的原裝測試短針。如果沒有測試短針，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，保證接地線長度小于1cm。