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紋波和噪聲測試很煩人?解決DC/DC開關電源測試只需一招

來源: 發布時間:2017-05-23 13:07:17 次瀏覽

隨著開關頻率和開關速度不斷的提升,在使用開關型的DC/DC電源的時候,要特別關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行業標準。不同廠家的測試環境以及測試標準都不太一樣,導致很多人很迷惑。這篇文章提供了一個簡單可靠的電源紋波的測試方法,這種測試方法的可復現性很好,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型DC/DC轉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壓器(LDO)。

 

紋波和噪聲Ripple and Noise

紋波和噪聲指的是在DC/DC轉換器輸入輸出電容上的交流耦合信號,在測試中,一般我們會將這個信號帶寬限制到20MHz。

 

紋波和噪聲主要由以下四項組成。

 

 

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

 

--開關噪聲(SWITCHING NOISE),這種噪聲發生在電源的開關時刻。雖然開關噪聲的重復周期和PWM頻率一致,但是振蕩頻率一般都很高。開關噪聲新的振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數以及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。對于半波整流,50Hz;對于全波整流,是100Hz;對于三相全波整流,300Hz。

 

--非周期性的隨機噪聲(NOISE),和AC電源開關頻率均無關。

 

由于現在AC-DC部分大多采用模塊開關電源,后級DC/DC電路工頻噪聲比較??;隨機噪聲無法量化。所以一般不考慮這兩項的影響,典型的開關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噪聲之和。

 

 

接下來描述了在錯誤以及正確測量電源紋波噪聲的兩種方式。

 

下圖是一個錯誤的測量方式,因為示波器的地線會拾取輻射噪聲。示波器的地線和信號探頭形成的環路形成了一個天線。環路面積越大,在電源PWM切換時,示波器接受到的開關噪聲就越大。

 

 

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接地環來測量電源紋波以及噪聲。為了進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,在信號探頭和地線之間的環路面積很小,所以測量中帶來誤差的噪聲幾乎可以忽略。

 


因為現在的示波器探頭都附帶有接地環,所以,不再詳細描述如何做一個接地環了。原文里有相關描述,見文末鏈接。

 

實測案例(Example)

下圖描述了采用兩個不同的測試方法得到的Vout波形。電源電路是一個BUCK轉換電路(AAT1121),工作在1.5MHz的開關頻率,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,在綠色的trace2有一個很高的噪音以及振鈴,但是trace3上卻沒有明顯的噪聲。通過對比可以看到,測試方法的選擇對結果的準確性很關鍵。

 

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轉換器的紋波噪聲為10mVp-p,幾乎看不到開關噪聲。這主要是歸功于BUCK控制器的低噪聲設計,良好的PCB設計,以及恰當的測試方法。

 

 

總結

下面總結一下正確的測量DC/DC開關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,高端產品還有200MHz帶寬限制的選擇),目的是避免數字電路的高頻噪聲影響紋波測量,盡量保證測量的準確性。

 

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

 

3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動輒上百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。

 

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