如何測(cè)量波紋以獲得更好的設(shè)計(jì)結(jié)果

1.前言

測(cè)試開關(guān)電源包括許多不同的測(cè)試，其中之一是輸出電壓峰峰值紋波。輸出電壓紋波是直流 (DC) 輸出電壓的交流 (AC) 分量。它是由多種因素共同產(chǎn)生的，包括輸出電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR)、輸出電容兩端的電壓降、占空比和開關(guān)頻率。

因?yàn)樗鼤?huì)影響電源軌的整體電壓容差，所以峰峰值輸出電壓紋波是許多處理器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)、專用集成電路 (ASIC) 和系統(tǒng)上的目標(biāo)規(guī)范- 芯片 (SoC) 數(shù)據(jù)表和設(shè)計(jì)指南。

測(cè)量紋波的方式會(huì)影響我們滿足設(shè)計(jì)要求的能力。

2.紋波測(cè)試方法

圖 1 顯示了典型的輸出電壓紋波探頭設(shè)置。

圖 1：輸出電壓紋波探頭設(shè)置

使用夾式探頭進(jìn)行探測(cè)顯示紋波增加，這可能部分是地線環(huán)路拾取噪聲的結(jié)果，如圖 2 所示。

圖 2：輸出電壓紋波探頭，帶有一個(gè)夾式探頭和完全延伸的地線，從附近的開關(guān)節(jié)點(diǎn)拾取噪聲

使用尾纖方法進(jìn)行探測(cè)可以改善紋波，即使尖端再次靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖 3 所示。接地回路要短得多；因此噪聲拾取不那么嚴(yán)重。

圖 3：使用尾纖法的輸出電壓紋波探頭；探頭地與尾纖接觸，尾纖連接到電路板地

如圖 4 所示，使用同軸電纜方法可以進(jìn)一步改善結(jié)果。將編織銅屏蔽層直接焊接在電路板接地上可進(jìn)一步減少接地回路。

圖 4：使用同軸方法的輸出電壓紋波探頭

圖 5 顯示了同軸電纜的特寫。

圖 5：同軸電纜特寫：外塑料護(hù)套 (a)；編織銅屏蔽層（接地）（b）；內(nèi)部介電絕緣體（c）；和銅芯 (V OUT ) (d)

另一種類似的測(cè)量方法是使用如圖 6 所示的探頭插孔。外部護(hù)套是直接連接到電路板上的地，同時(shí)允許探頭尖端連接到電壓測(cè)試點(diǎn)。

圖 6：探頭插孔

在所有這些方法中，使用差分探頭可能是準(zhǔn)確測(cè)量紋波的最佳方法。它可以消除接地回路噪聲拾取誤差，特別是在將其他電子設(shè)備連接到同一板接地時(shí)（例如電子負(fù)載和萬用表）。

圖 7 顯示了板上差分探頭連接的兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

圖 7：差分探頭測(cè)試點(diǎn) CPU_VSEN+ 和 CPU_VSEN-

如果我們試圖滿足嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)要求并具有較低的峰峰值電壓紋波目標(biāo)，那么如何測(cè)量電路板上的紋波可能會(huì)成就我們，也可能會(huì)毀了我們。優(yōu)化我們的探測(cè)方法將幫助我們進(jìn)行測(cè)量并滿足規(guī)格要求。在TPS40304EVM-353等開關(guān)穩(wěn)壓器評(píng)估模塊 (EVM) 上練習(xí)和比較本文中討論的任何探測(cè)方法。此外，請(qǐng)閱讀應(yīng)用報(bào)告“降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓”，了解如何在 WEBENCH ® Power Designer 中計(jì)算和報(bào)告紋波電壓。

3. 如何獲取正確紋波的信號(hào)

為了觀察產(chǎn)生的正確信號(hào)，消除探測(cè)方法的寄生效應(yīng)是相當(dāng)大的。但是，我們在下面聲明應(yīng)將示波器輸入設(shè)置為 50 歐姆。盡管 RG-58 同軸電纜是 50 ohm 傳輸線，但我們將使用 50 ohm 終端加載電源。轉(zhuǎn)換器電源的輸出阻抗非常低，遠(yuǎn)低于符號(hào)發(fā)生器中的 50 歐姆電源。為什么我們不希望使用 1 Mohm 示波器輸入設(shè)置？

的確，使用 50 歐姆終端確實(shí)在電源輸出端增加了 50 歐姆的負(fù)載，但它也使整個(gè)傳輸路徑保持相對(duì)較低的阻抗。使用 1 Meg 設(shè)置，我們更有可能通過天線效應(yīng)通過電纜本身拾取噪聲。

如果我們確信 50 歐姆阻抗不會(huì)影響信號(hào)（對(duì)于電源輸出，我們絕對(duì)應(yīng)該如此），那么我們將在 50 歐姆端接時(shí)獲得更清晰的波形。

但是，我們確實(shí)需要使用高阻抗探頭來測(cè)量?jī)H具有較小驅(qū)動(dòng)能力的信號(hào)（例如 FB 或 COMP 節(jié)點(diǎn)），因?yàn)轭~外的 50 歐姆接地會(huì)改變答案。

PS > 對(duì)于更高的輸出電壓或開關(guān)節(jié)點(diǎn)，我們可能需要查看示波器的滿量程范圍，因?yàn)橥ǔ?/span> 50 歐姆設(shè)置意味著 1:1 轉(zhuǎn)換（大多數(shù)商業(yè)探頭包括 10:1 或 20:1 分壓器所以這不是問題）。

如果我們需要測(cè)量比允許的更高的電壓，我們可以轉(zhuǎn)到 1 Meg 設(shè)置，并接受我們更有可能獲得一點(diǎn)噪聲拾取，或者我們仍然可以通過以下方式保持路徑相對(duì)較低的阻抗通過將一個(gè) 450 歐姆電阻與我們的信號(hào)串聯(lián)，制作一個(gè)內(nèi)部 50 歐姆的 10:1 分壓器。