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实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

这篇文章以实际测试案例说明了测量高频开关电源纹波和测量高频开关电源噪声在示波器带宽要求上的不同及不同带宽所引起的测量结果的巨大差异。文章给出了坚硬的结论和测量结果。

项目描述

硬件电路的很多问题都和高频开关电源相关,好的高频开关电源设计对于整个硬件电路至关重要;这篇文章是从一个实际的案例来谈一谈如何使用示波器较准确的测量高频开关电源的噪声。 


测量对象是在市场上购买的一款IPAD扩容外设。此设备是通过在IPAD上安装对应的APP,在充电口加入外围模块来实现对IPAD的扩容。


这一款设备所用的存储介质是MicroSD卡。我们对其中MicroSD卡存储部分的信号进行检测,检测这一部分回路是否符合SD规范。在使用示波器检测SDVCC电压的时候,根据对高频开关电源纹波的测量经验,测量高频开关电源纹波一般应限制20MHZ带宽。但使用20MHZ带宽限制与全带宽500MHZ测量的值差别很大。那么,在此处测量SDVCC的电压,是否应该把带宽限制在20MHZ?


问题解决

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

此电路非常简单,就是通过IPAD的供电口以及数据传输线对产品进行扩容;首先来测量产品给SD供电的电压波形。按照存储芯片MicroSD卡供电要求的范围:2.7V-3.6V;不允许超出此范围,否则,芯片在不稳定的电压下工作会有比较大的风险,甚至会对卡片的正常工作带来影响。


首先需要考虑的是示波器的设置,究竟是否需要进行20MHZ的带宽限制?详细的使用环境如下图所示:

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

IPAD刚引出来的那个端口可以当做高频开关电源的源端,而通过后端的外围模块后在末端进行测试的时候,高频开关电源通过了一段PCB走线,包括一些芯片回路,应该存在高频的噪声,如果采用20MHZ的带宽限制,实际上是将原本属于模块的噪声给滤掉了,为此,我们进行了对比测试进行验证:


第一步,我先验证IPAD的供电端在工作时的输出,如下图:

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

通过直接验证IPAD的输出口的电压,保证源端的供电是正常的;通过测试,我们发现在源端测量的电压值在3.4V(500MHZ带宽测量)左右,峰峰值最大29mV,是非常稳定的供电;

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

因此,可以排除源端供电的问题,接下来,我们直接在通过整个模块后在MicroSD卡的供电脚SDVCC对电压进行测量,如下图:

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

当我们在图片上的点进行测试的时候,发现在高频开关电源上有相当大的噪声,使得电压超出了规范要求的范围,最大值达到了3.814V,峰峰值最大达854mV;

但当我们将示波器设置为20MHZ带宽的时候,高频开关电源变的非常好,完全在供电要求的范围内;

正如在本文开头描述的,在本次高频开关电源测试过程中,已经不是高频开关电源纹波测量,而应该是噪声。类似这类高频开关电源电压的测量,如按照限制20MHZ带宽进行测试,会给测量分析带来误判(因为确实存在比较大的噪声/电压波动),示波器的前端滤波会将产品本身所存在的噪声给滤掉了;因此,我们采用了500MHZ的满带宽进行测试;

但是,通过以上的测试方式是否真实反映了产品的噪声大小?另外,采用标配的无源探头进行测试会对测量结果带来多大的偏差?是否在可接受的范围内?还需要进一步的验证; 

我们采用了不同接地环路对相同的测试点进行了测量。带弹簧地的测试回路减少了信号的回流路径,测试结果会比直接用原来标配的6英寸的效果要好些,但二者的差别较小,而测出来的3.8V的最大值似乎不够准确(经验判断);之前在示波器操作培训时也了解到示波器标配的10:1的无源探头会对信号测量带来较大的偏差,10:1的衰减会将示波器的底噪提高10倍;因此,我们将采用1:1衰减,50欧姆的同轴线缆对产品再次进行测量,以保证准确的反映产品的真实状况,以便于对测试结果进行分析,如下图:

实操案例详解高频开关电源噪声该如何测量?

采用1:1的同轴电缆可以将信号传输的路径减小,另外,示波器直接设置为1:1衰减,避免了软件算法对示波器底噪的放大,因此带来最准确的测量结果;

采用同轴线缆测试的结果,最大值为3.645V,比使用无源探头3.814V的测量值相差0.169V。可见在需要做非常精准的测量的时候,应选择同轴线缆来测量,尽量减小测量误差。

总结

本文主要是从测试的角度来分析讨论应该如何去测试“高频开关电源”噪声。通过以上分析可以得出以下结论:

1.如果按照以往高频开关电源纹波的测试方法,直接选择20MHZ的带宽进行测试,将无法正确地反映出高频开关电源的真实状况。在诸如此类的高频开关电源电压的监控测量中,应考虑到其他高频噪声的干扰,不能把示波器带宽限制在20MHZ。测试一个高频开关电源电压波动应选择怎么样的带宽,要具体问题具体分析,要正确判断是测量纹波还是噪声,对应地选择如何设置示波器。

2.如需要更加精准地测量,需要减小示波器10:1无源探头带来的误差影响,应使用1:1衰减的同轴线缆进行测量。

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