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              電源紋波測試的正確姿勢
              點擊次數:935 發布時間:2018-09-14

              電源紋波測試的正確姿勢

              用500MHz帶寬的示波器對其開關電源輸出5V信號的紋波進行測試時,發現紋波和噪聲的峰峰值達到了900多mV(如下圖所示),而其開關電源標稱的紋波的峰峰值<20mv。雖然用戶電路板上后級還有LDO對開關電源的這個輸出再進行穩壓,但用戶認為測得的這個結果過大,不太可信,希望找出問題所在。

              問題分析

              電源紋波測試過大的問題通常和使用的探頭以及前端的連接方式有關。首先檢查了用戶探頭的連接方式,發現其使用的是如下面左圖所示的長的鱷魚夾地線,而且接地點夾在了單板的固定螺釘上,整個地環路比較大。由于大的地環路會引入更多的開關電源造成的空間電磁輻射噪聲以及地環路噪聲,于是更換成如下面右圖所示的短的接地彈簧針。

              探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要,當兩點相距較遠,會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如下圖所示),示波器觀察的波形包括了其他信號分量,導致錯誤的測試結果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距,減小環路面積。

               

               

               

              在隔離電源中,會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降,從而表現為紋波。要防止這一問題的出現,我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外,將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器,其在不影響差分電壓測量的同時,還減少了共模電流引起的測量誤差。下圖顯示了該完全相同電路的紋波電壓,其使用了改進的測量方法。這樣,高頻峰值就被真正地消除了。


               經過實際測試,發現測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,和開關電源廠商標稱的<20mV仍有較大差異。
               進一步檢查用戶使用的探頭的型號,發現用戶使用的是示波器標配的10:1的無源探頭。如下圖所示。

               
              10:1的探頭會把被測信號衰減10倍再送入示波器,然后示波器再對被測信號進行10倍的數學放大。這種探頭的好處是通過前面的匹配電路提升了探頭帶寬可以到幾百MHz,而且擴展了示波器的量程,但是對于小信號的測量不是特備有利。 如果被測信號幅度本身就小,再衰減10倍可能就淹沒在示波器的底噪聲里了,即使再做10倍的數學放大,對于信噪比本身也是沒有改善的。所以對于電源紋波噪聲的測量應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1:1無源探頭,這種1:1的無源探頭雖然帶寬不高(通常幾十MHz),但衰減比小,對于小信號測試非常合適。下圖是換用1:1的無源探頭后,和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對比測試結果??梢钥吹?,使用1:1探頭并設置20MHz帶寬限制后,測量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV,遠遠好過10:1探頭的測試結果。從1:1探頭的測試結果里可以看到清晰的紋波的波形,并且滿足用戶對于電源紋波噪聲<20mV的預期。另外,我們也可以看到,帶寬限制對于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。
              問題總結

              這是一個典型的電源紋波測試的問題。我們通過使用短的地線連接、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試結果大大改善。一般來說,影響電源紋波測試結果的影響因素按照重要性主要有以下幾個:
              1、 前端連接線和地環路的長度:長的地環路會拾取更多開關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:大衰減比的探頭會使得小信號幅度更加微弱,甚至淹沒在示波器底噪聲里,所以應該盡量使用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試場合使用20MHz的帶寬限制,也有些芯片會要求測到80MHz或200MHz。
              4、 測量量程:通常會在小量程檔下(比如10mv/格或20mv/格)進行電源紋波的測試。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,在小檔位下時可能不能夠把被測的直流電壓信號拉回到屏幕中心附近進行測量,所以很多時候會使用示波器的AC耦合功能把直流隔離掉再進行紋波噪聲測試。
              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。不過示波器連接大部分無源探頭時都會自動把阻抗切換到1M歐姆,只有連接有源探頭或同軸電纜時才可以設置為50歐姆輸入阻抗。
              在進行實際測試之前,一個比較好的習慣是先檢查一下當前使用的設備和設置下的系統的底噪聲。下面圖中的5個波形分別是使用500M的S系列示波器在使用不同的探頭和帶寬設置下的底噪聲結果。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,可見測試中探頭、帶寬、輸入阻抗設置的重要性。
               

              如果手頭實在沒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探頭。實際上就是把電纜的一頭接在示波器上,示波器設置為50歐姆輸入阻抗;電纜的另一頭剝開,屏蔽層焊接在被測電路地上,中心導體通過一個隔直電容連接被測的電源信號。這種方法的優點是低成本,低衰減比,缺點是一致性不好,隔直電容參數及帶寬不好控制。
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