随着开关频率和开关速度不断的提升,在使用开关型的DC/DC电源的时候,要特别关注输入输出电源的纹波。但是测量DC/DC电源的纹波和噪声没有一个行业标准。不同厂家的测试环境以及测试标准都不太一样,导致很多人很迷惑。
这篇文章提供了一个简单可靠的电源纹波的测试方法,这种测试方法的可复现性很好,并且不需要带宽很高的示波器和探头。 这篇文章适合用于测量开关型DC/DC转换器的输入以及输出纹波,包括电荷泵,但是不适用于低压差稳压器(LDO)。 纹波和噪声Ripple and Noise
纹波和噪声指的是在DC/DC转换器输入输出电容上的交流耦合信号,在测试中,一般我们会将这个信号带宽限制到20MHz。 纹波和噪声主要由以下四项组成。
电源纹波(PWM frequency RIPPLE),和PWM频率相同的。这个纹波表示了输入和输出电容上的充放电过程,在最大负载时,这个纹波达到最大值。这种电压的波动可以通过加大输入输出电容、加大输出电感来减小。
开关噪声(SWITCHING NOISE),这种噪声发生在电源的开关时刻。虽然开关噪声的重复周期和PWM频率一致,但是振荡频率一般都很高。开关噪声新的振幅一般取决于电源芯片、电路寄生参数以及PCB布板。
工频噪声(Recfified main RIPPLE),一般是交流供电频率的两倍。我国供电频率是50Hz,所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器。大小取决于整流电路的类型。对于半波整流,50Hz;对于全波整流,是100Hz;对于三相全波整流,300Hz。
非周期性的随机噪声(NOISE),和AC电源开关频率均无关。
由于现在AC-DC部分大多采用模块开关电源,后级DC/DC电路工频噪声比较小;随机噪声无法量化。所以一般不考虑这两项的影响,典型的开关电源纹波噪声如下图所示。我们需要测量的是纹波以及开关噪声之和。
接下来描述了在错误以及正确测量电源纹波噪声的两种方式。 下图是一个错误的测量方式,因为示波器的地线会拾取辐射噪声。示波器的地线和信号探头形成的环路形成了一个天线。环路面积越大,在电源PWM切换时,示波器接受到的开关噪声就越大。
在测量中,如何减小拾取的辐射噪声?最简单可靠的方法是采用一个接地环来测量电源纹波以及噪声。为了进一步的降低测试误差,可以将示波器探头和地线直接放在电源输出电容得两端。如下图所示,采用这种方法,在信号探头和地线之间的环路面积很小,所以测量中带来误差的噪声几乎可以忽略。
因为现在的示波器探头都附带有接地环,所以,不再详细描述如何做一个接地环了。
1、无源探头DC耦合测试
使用无源探头DC耦合测试,示波器内部设置为DC耦合,耦合阻抗为1Mohm,此时无源探头的地线接主板地,信号线接待测电源信号。这种测量方法可以测到除DC以外的电源噪声纹波。
如图4所示,当采用普通的鳄鱼夹探头时,由于地和待测信号之间的环路太大,而探头探测点靠近高速运行的IC芯片,近场辐射较大,会有很多EMI噪声辐射到探头回路中,使测试的数据不准确。为了改善这种情况,推荐用无源探头测试纹波时,使用右图中的探头,将地信号缠绕在信号引脚上,相当于在地和信号之间存在一个环路电感,对高频信号相当于高阻,有效抑制由于辐射产生的高频噪声。更多时候,建议测试者采用第三种测试方法,将一个漆包线绕在探头上,然后将漆包线的焊接到主板地网络上,移动探头去测试每一路电源纹波噪声。同时无源探头要求尽量采用1:1的探头,杜绝使用1:10的探头。
无源探头地线两种处理方法:
对于示波器,若垂直刻度为xV/div,示波器垂直方向为10div,满量程为10xV,示波器采样AD为8位,则量化误差为10x/256 V。例如一个1V电源,噪声纹波为50mV,如果要显示这个信号,需要设置垂直刻度为200mV/div,此时量化误差为7.8mV,如果把直流1V通过offset去掉,只显示纹波噪声信号,垂直刻度设置为10mV即可,此时的量化误差为0.4mV。
使用无源探头DC耦合测试,示波器设置如下:
(1)1Mohm端接匹配;(2)DC耦合;(3)全带宽;(4)offset设置为电源电压;
2、无源探头AC耦合测试
使用无源探头DC耦合需要设置offset,对于电源电压不稳定的情况,offset设置不合理,会导致屏幕上显示的信号超出量程,此时选择AC耦合,使用内置的搁置电路来滤去直流分量。对于大多数的示波器,会有如下参数,设置为AC耦合,此时测量的为10Hz以上的噪声纹波。
使用无源探头AC耦合测试,设置如下:
(1)1Mohm端接匹配;(2)AC耦合;(3)全带宽;(4)offset设置为0;
3、 同轴线外部隔直电容DC50欧耦合测试
由于无源探头的带宽较低,而电源开关噪声一般都在百MHz以上,同时电源内阻一般在几百毫欧以内,选择高阻1Mohm的无源探头对于高频会产生反射现象,因此可以选择用同轴线来代替无源探头,此时示波器端接阻抗设置为50欧,与同轴线阻抗相匹配,根据传输线理论,电源噪声没有反射,此时认为测量结果最准确。
利用同轴线的测量方法,最准确的是采用DC50欧,但是大部分示波器在DC50欧时offset最大电压为1V,无法满足大部分电源的测量要求,而示波器内部端接阻抗为50欧时,不支持AC耦合,因此需要外置一个AC电容,如图6所示,当串联电容值为10uF时,根据表1可以看到,此时可以准确测试到2KHz以上的纹波噪声信号。
4、同轴线AC1M欧耦合测试
由于从PMU出来的电源纹波噪声大多集中在1MHz以内,如果采用同轴线DC50外置隔直电容测量方法,低频噪声分量损失较为严重,因此改用图7所示的测量方法,利用同轴线传输信号,示波器设置为AC1M,这样虽然存在反射,但是反射信号经过较长CABLE线折返传输后,影响是有限的,示波器在R2上采集电压值可以认为仍然可以被参考。
同轴线AC1M测量图
为了避免反射,在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电阻,使示波器输入阻抗和cable线特征阻抗匹配。
同轴线AC1M测量改进图
5、差分探头外置电容DC耦合测试
由于示波器的探头地和机壳地通过一个小电容接在一起,而示波器的机壳地又通过三角插头和大地接在一起,在实验室里,几乎所有的设备地都和大地接在一起,示波器内部地线接法如图9所示,因此上面介绍的两种方法都无法解决地干扰问题,为了解决这个问题,需要引入浮地示波器或者差分探头。
示波器内部地线接法为差分接法,由于差分探头为有源探头,外置差动放大器,可以将待测信号通过差分方式接入,使示波器的地和待测件地隔离开,达到浮地效果。但是差分探头在示波器内部只能DC50欧耦合,而offset最大一般不超过1V,因此需要在差分探头上串联隔直电容。
使用差分探头测量时关键是探头的CMRR要足够大,这样才能有效抑制共模噪声。 实测案例(Example)采用两个不同的测试方法得到的Vout波形。电源电路是一个BUCK转换电路(AAT1121),工作在1.5MHz的开关频率,输出电压为1.8V/250mA。示波器采用全带宽测试。
可以看到伴随着PWM开关,在绿色的trace2有一个很高的噪音以及振铃,但是trace3上却没有明显的噪声。通过对比可以看到,测试方法的选择对结果的准确性很关键。
采用20MHz带宽限制测试到的电源的纹波以及噪声。示波器20MHz的带宽限制是为了防止无源探头带入的共模噪声。可以看到AAT1121BUCK转换器的纹波噪声为10mVp-p,几乎看不到开关噪声。这主要是归功于BUCK控制器的低噪声设计,良好的PCB设计,以及恰当的测试方法。
总结
下面总结一下正确的测量DC/DC开关电源纹波和噪音的方法。
1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz,高端产品还有200MHz带宽限制的选择),目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量,尽量保证测量的准确性。
2)设置耦合方式为交流耦合,方便测量(以更小档位来仔细观测纹波,不关心直流电平)。
3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长),尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针,可以拆除探头的接地线和外壳,露出探头地壳,自制接地线缠绕在探头地壳上,保证接地线长度小于1cm。
编辑:jq
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原文标题:超硬干货!纹波和噪声测试
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