超硬干貨:紋波和噪聲測(cè)試
紋波和噪聲指的是在DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入輸出電容上的交流耦合信號(hào),在測(cè)試中,一般我們會(huì)將這個(gè)信號(hào)帶寬限制到20MHz。 紋波和噪聲主要由以下四項(xiàng)組成。
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電源紋波(PWM frequency RIPPLE),和PWM頻率相同的。這個(gè)紋波表示了輸入和輸出電容上的充放電過(guò)程,在最大負(fù)載時(shí),這個(gè)紋波達(dá)到最大值。這種電壓的波動(dòng)可以通過(guò)加大輸入輸出電容、加大輸出電感來(lái)減小。
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開(kāi)關(guān)噪聲(SWITCHING NOISE),這種噪聲發(fā)生在電源的開(kāi)關(guān)時(shí)刻。雖然開(kāi)關(guān)噪聲的重復(fù)周期和PWM頻率一致,但是振蕩頻率一般都很高。開(kāi)關(guān)噪聲新的振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數(shù)以及PCB布板。
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工頻噪聲(Recfified main RIPPLE),一般是交流供電頻率的兩倍。我國(guó)供電頻率是50Hz,所以它的紋波主要來(lái)自工頻50Hz變壓器。大小取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流,50Hz;對(duì)于全波整流,是100Hz;對(duì)于三相全波整流,300Hz。
- 非周期性的隨機(jī)噪聲(NOISE),和AC電源開(kāi)關(guān)頻率均無(wú)關(guān)。
在測(cè)量中,如何減小拾取的輻射噪聲?最簡(jiǎn)單可靠的方法是采用一個(gè)接地環(huán)來(lái)測(cè)量電源紋波以及噪聲。為了進(jìn)一步的降低測(cè)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(hào)探頭和地線之間的環(huán)路面積很小,所以測(cè)量中帶來(lái)誤差的噪聲幾乎可以忽略。
因?yàn)楝F(xiàn)在的示波器探頭都附帶有接地環(huán),所以,不再詳細(xì)描述如何做一個(gè)接地環(huán)了。
1、無(wú)源探頭DC耦合測(cè)試
如圖4所示,當(dāng)采用普通的鱷魚(yú)夾探頭時(shí),由于地和待測(cè)信號(hào)之間的環(huán)路太大,而探頭探測(cè)點(diǎn)靠近高速運(yùn)行的IC芯片,近場(chǎng)輻射較大,會(huì)有很多EMI噪聲輻射到探頭回路中,使測(cè)試的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為了改善這種情況,推薦用無(wú)源探頭測(cè)試紋波時(shí),使用右圖中的探頭,將地信號(hào)纏繞在信號(hào)引腳上,相當(dāng)于在地和信號(hào)之間存在一個(gè)環(huán)路電感,對(duì)高頻信號(hào)相當(dāng)于高阻,有效抑制由于輻射產(chǎn)生的高頻噪聲。更多時(shí)候,建議測(cè)試者采用第三種測(cè)試方法,將一個(gè)漆包線繞在探頭上,然后將漆包線的焊接到主板地網(wǎng)絡(luò)上,移動(dòng)探頭去測(cè)試每一路電源紋波噪聲。同時(shí)無(wú)源探頭要求盡量采用1:1的探頭,杜絕使用1:10的探頭。
無(wú)源探頭地線兩種處理方法:
對(duì)于示波器,若垂直刻度為xV/div,示波器垂直方向?yàn)?0div,滿量程為10xV,示波器采樣AD為8位,則量化誤差為10x/256 V。例如一個(gè)1V電源,噪聲紋波為50mV,如果要顯示這個(gè)信號(hào),需要設(shè)置垂直刻度為200mV/div,此時(shí)量化誤差為7.8mV,如果把直流1V通過(guò)offset去掉,只顯示紋波噪聲信號(hào),垂直刻度設(shè)置為10mV即可,此時(shí)的量化誤差為0.4mV。
使用無(wú)源探頭DC耦合測(cè)試,示波器設(shè)置如下:
(1)1Mohm端接匹配; (2)DC耦合; (3)全帶寬; (4)offset設(shè)置為電源電壓;
2、無(wú)源探頭AC耦合測(cè)試
示波器兩種耦合方式頻點(diǎn)
使用無(wú)源探頭AC耦合測(cè)試,設(shè)置如下:
(1)1Mohm端接匹配; (2)AC耦合; (3)全帶寬; (4)offset設(shè)置為0;
3、 同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測(cè)試
由于無(wú)源探頭的帶寬較低,而電源開(kāi)關(guān)噪聲一般都在百M(fèi)Hz以上,同時(shí)電源內(nèi)阻一般在幾百毫歐以內(nèi),選擇高阻1Mohm的無(wú)源探頭對(duì)于高頻會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象,因此可以選擇用同軸線來(lái)代替無(wú)源探頭,此時(shí)示波器端接阻抗設(shè)置為50歐,與同軸線阻抗相匹配,根據(jù)傳輸線理論,電源噪聲沒(méi)有反射,此時(shí)認(rèn)為測(cè)量結(jié)果最準(zhǔn)確。
利用同軸線的測(cè)量方法,最準(zhǔn)確的是采用DC50歐,但是大部分示波器在DC50歐時(shí)offset最大電壓為1V,無(wú)法滿足大部分電源的測(cè)量要求,而示波器內(nèi)部端接阻抗為50歐時(shí),不支持AC耦合,因此需要外置一個(gè)AC電容,如圖6所示,當(dāng)串聯(lián)電容值為10uF時(shí),根據(jù)表1可以看到,此時(shí)可以準(zhǔn)確測(cè)試到2KHz以上的紋波噪聲信號(hào)。
同軸線DC50測(cè)量圖
4、同軸線AC1M歐耦合測(cè)試
由于從PMU出來(lái)的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內(nèi),如果采用同軸線DC50外置隔直電容測(cè)量方法,低頻噪聲分量損失較為嚴(yán)重,因此改用圖7所示的測(cè)量方法,利用同軸線傳輸信號(hào),示波器設(shè)置為AC1M,這樣雖然存在反射,但是反射信號(hào)經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)CABLE線折返傳輸后,影響是有限的,示波器在R2上采集電壓值可以認(rèn)為仍然可以被參考。
同軸線AC1M測(cè)量圖
為了避免反射,在同軸線接到示波器的接口處端接一個(gè)50ohm電阻,使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。
同軸線AC1M測(cè)量改進(jìn)圖
5、差分探頭外置電容DC耦合測(cè)試
示波器內(nèi)部地線接法
如圖10所示,為差分接法,由于差分探頭為有源探頭,外置差動(dòng)放大器,可以將待測(cè)信號(hào)通過(guò)差分方式接入,使示波器的地和待測(cè)件地隔離開(kāi),達(dá)到浮地效果。但是差分探頭在示波器內(nèi)部只能DC50歐耦合,而offset最大一般不超過(guò)1V,因此需要在差分探頭上串聯(lián)隔直電容。使用差分探頭測(cè)量時(shí)關(guān)鍵是探頭的CMRR要足夠大,這樣才能有效抑制共模噪聲。 實(shí)測(cè)案例(Example)
下圖描述了采用兩個(gè)不同的測(cè)試方法得到的Vout波形。電源電路是一個(gè)BUCK轉(zhuǎn)換電路(AAT1121),工作在1.5MHz的開(kāi)關(guān)頻率,輸出電壓為1.8V/250mA。示波器采用全帶寬測(cè)試??梢钥吹桨殡S著PWM開(kāi)關(guān),在綠色的trace2有一個(gè)很高的噪音以及振鈴,但是trace3上卻沒(méi)有明顯的噪聲。通過(guò)對(duì)比可以看到,測(cè)試方法的選擇對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵。 下圖是采用20MHz帶寬限制測(cè)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(wú)源探頭帶入的共模噪聲??梢钥吹紸AT1121BUCK轉(zhuǎn)換器的紋波噪聲為10mVp-p,幾乎看不到開(kāi)關(guān)噪聲。這主要是歸功于BUCK控制器的低噪聲設(shè)計(jì),良好的PCB設(shè)計(jì),以及恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法。 總 結(jié)
下面總結(jié)一下正確的測(cè)量DC/DC開(kāi)關(guān)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(chǎn)品還有200MHz帶寬限制的選擇),目的是避免數(shù)字電路的高頻噪聲影響紋波測(cè)量,盡量保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。 2)設(shè)置耦合方式為交流耦合,方便測(cè)量(以更小檔位來(lái)仔細(xì)觀測(cè)紋波,不關(guān)心直流電平)。
3)保證探頭接地盡量短(測(cè)量紋波動(dòng)輒上百mV的主要原因就是接地線太長(zhǎng)),盡量使用探頭自帶的原裝測(cè)試短針。如果沒(méi)有測(cè)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(zhǎng)度小于1cm。
來(lái)源:面包板社區(qū)、硬十
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