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技術(shù)文章

電源紋波測(cè)試的正確姿勢(shì)

閱讀:1673          發(fā)布時(shí)間:2018-5-21

電源紋波測(cè)試的正確姿勢(shì)


    用500MHz帶寬的示波器對(duì)其開(kāi)關(guān)電源輸出5號(hào)的紋波進(jìn)行測(cè)試時(shí),發(fā)現(xiàn)紋波和噪聲的峰峰值達(dá)到了900多mV(如下圖所示),而其開(kāi)關(guān)電源標(biāo)稱的紋波的峰峰值<20mv。雖然用戶電路板上后級(jí)還有LDO對(duì)開(kāi)關(guān)電源的這個(gè)輸出再進(jìn)行穩(wěn)壓,但用戶認(rèn)為測(cè)得的這個(gè)結(jié)果過(guò)大,不太可信,希望找出問(wèn)題所在。

問(wèn)題分析

電源紋波測(cè)試過(guò)大的問(wèn)題通常和使用的探頭以及前端的連接方式有關(guān)。首先檢查了用戶探頭的連接方式,發(fā)現(xiàn)其使用的是如下面左圖所示的長(zhǎng)的鱷魚(yú)夾地線,而且接地點(diǎn)夾在了單板的固定螺釘上,整個(gè)地環(huán)路比較大。由于大的地環(huán)路會(huì)引入更多的開(kāi)關(guān)電源造成的空間電磁輻射噪聲以及地環(huán)路噪聲,于是更換成如下面右圖所示的短的接地彈簧針。

探頭的GND和信號(hào)兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)的距離也非常重要,當(dāng)兩點(diǎn)相距較遠(yuǎn),會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號(hào)回路中(如下圖所示),示波器觀察的波形包括了其他信號(hào)分量,導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號(hào)與地的探測(cè)點(diǎn)間距,減小環(huán)路面積。

 

 

 

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zui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。下圖顯示了該*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。


 經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試,發(fā)現(xiàn)測(cè)得的紋波噪聲的峰峰值有很大改善,如下圖所示。但紋波噪聲的峰峰值仍然有40多mV,和開(kāi)關(guān)電源廠商標(biāo)稱的<20mV仍有較大差異。
 進(jìn)一步檢查用戶使用的探頭的型號(hào),發(fā)現(xiàn)用戶使用的是示波器標(biāo)配的10:1的無(wú)源探頭。如下圖所示。

 
10:1的探頭會(huì)把被測(cè)信號(hào)衰減10倍再送入示波器,然后示波器再對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行10倍的數(shù)學(xué)放大。這種探頭的好處是通過(guò)前面的匹配電路提升了探頭帶寬可以到幾百M(fèi)Hz,而且擴(kuò)展了示波器的量程,但是對(duì)于小信號(hào)的測(cè)量不是特備有利。 如果被測(cè)信號(hào)幅度本身就小,再衰減10倍可能就淹沒(méi)在示波器的底噪聲里了,即使再做10倍的數(shù)學(xué)放大,對(duì)于信噪比本身也是沒(méi)有改善的。所以對(duì)于電源紋波噪聲的測(cè)量應(yīng)該盡量使用小衰減比的探頭,比如1:1的探頭。于是另外找了一個(gè)1:1無(wú)源探頭,這種1:1的無(wú)源探頭雖然帶寬不高(通常幾十MHz),但衰減比小,對(duì)于小信號(hào)測(cè)試非常合適。下圖是換用1:1的無(wú)源探頭后,和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對(duì)比測(cè)試結(jié)果。可以看到,使用1:1探頭并設(shè)置20MHz帶寬限制后,測(cè)量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過(guò)10:1探頭的測(cè)試結(jié)果。從1:1探頭的測(cè)試結(jié)果里可以看到清晰的紋波的波形,并且滿足用戶對(duì)于電源紋波噪聲<20mV的預(yù)期。另外,我們也可以看到,帶寬限制對(duì)于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。
問(wèn)題總結(jié)

這是一個(gè)典型的電源紋波測(cè)試的問(wèn)題。我們通過(guò)使用短的地線連接、換用低衰減比的探頭以及帶寬限制功能使得紋波噪聲的測(cè)試結(jié)果大大改善。一般來(lái)說(shuō),影響電源紋波測(cè)試結(jié)果的影響因素按照重要性主要有以下幾個(gè):
1、 前端連接線和地環(huán)路的長(zhǎng)度:長(zhǎng)的地環(huán)路會(huì)拾取更多開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射以及地噪聲,因此需要使用盡可能短的地線連接。
2、 探頭的衰減比:大衰減比的探頭會(huì)使得小信號(hào)幅度更加微弱,甚至淹沒(méi)在示波器底噪聲里,所以應(yīng)該盡量使用1:1衰減比的探頭。
3、 帶寬限制:很多電磁噪聲和示波器的底噪聲都是寬帶的,設(shè)置合適的帶寬限制可以濾除額外的噪聲。很多電源紋波噪聲測(cè)試場(chǎng)合使用20MHz的帶寬限制,也有些芯片會(huì)要求測(cè)到80MHz或200MHz。
4、 測(cè)量量程:通常會(huì)在小量程檔下(比如10mv/格或20mv/格)進(jìn)行電源紋波的測(cè)試。量程打得越大,示波器的底噪聲越高。但有些示波器的偏置范圍有限,在小檔位下時(shí)可能不能夠把被測(cè)的直流電壓信號(hào)拉回到屏幕中心附近進(jìn)行測(cè)量,所以很多時(shí)候會(huì)使用示波器的AC耦合功能把直流隔離掉再進(jìn)行紋波噪聲測(cè)試。
5、 輸入阻抗:很多示波器有50歐姆和1M歐姆的輸入阻抗選擇,通常50歐姆輸入阻抗下示波器的底噪聲更低。不過(guò)示波器連接大部分無(wú)源探頭時(shí)都會(huì)自動(dòng)把阻抗切換到1M歐姆,只有連接有源探頭或同軸電纜時(shí)才可以設(shè)置為50歐姆輸入阻抗。
在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前,一個(gè)比較好的習(xí)慣是先檢查一下當(dāng)前使用的設(shè)備和設(shè)置下的系統(tǒng)的底噪聲。下面圖中的5個(gè)波形分別是使用500M的S系列示波器在使用不同的探頭和帶寬設(shè)置下的底噪聲結(jié)果。波形從上到下依次為:50歐姆輸入阻抗,1:1探頭,500MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗,1:1探頭,20MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗,1:1探頭,500MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗,10:1探頭,20MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗,10:1探頭,500MHz帶寬。其底噪聲的峰峰值從不到1mV直到接近30mV,可見(jiàn)測(cè)試中探頭、帶寬、輸入阻抗設(shè)置的重要性。
 

如果手頭實(shí)在沒(méi)有合適的低衰減比的探頭,也可以參考下圖用50歐姆的同軸電纜用如下方式自制一個(gè)探頭。實(shí)際上就是把電纜的一頭接在示波器上,示波器設(shè)置為50歐姆輸入阻抗;電纜的另一頭剝開(kāi),屏蔽層焊接在被測(cè)電路地上,中心導(dǎo)體通過(guò)一個(gè)隔直電容連接被測(cè)的電源信號(hào)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是低成本,低衰減比,缺點(diǎn)是一致性不好,隔直電容參數(shù)及帶寬不好控制。

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