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使用示波器测量高频开关电源纹波和噪声时需注意哪些问题?

示波器是测量高频开关电源纹波和高频开关电源噪声的必备工具,但在实际的测量中,如何选择合适的带宽、采样率,如何选择探头、示波器的耦合方式,甚至接地,都会对测量结果带来不一样的影响,以下总结了一些来自具体实际案例中的关键注意事项。

高频开关电源纹波和高频开关电源噪声测量时需注意哪些问题?

高频开关电源纹波(Power Ripple)和高频开关电源噪声(Power Noise)的定义

目前,关于高频开关电源纹波和高频开关电源噪声其实并没有一个协会给定的标准定义。但是,业内渐渐形成了一个约定俗成的说法,将高频开关电源纹波理解为高频开关电源模块包括VRM的输出电压的波动,和复杂的供电网络无关,或者说是高频开关电源输出的源端(Source端)的电压的波动,高频开关电源噪声则是指高频开关电源模块工作在实际产品系统中,经过供电分布网络将高频开关电源能量输送到芯片管脚处,在芯片管脚处的电压的波动,或者简单说是高频开关电源输出的末端(Sink端)的电压的波动。

也可以这么说:电压的波动在源端叫纹波(Ripple),在末端叫噪声(Noise)。

 高频开关电源纹波和高频开关电源噪声测量时需注意哪些问题?

在开关高频开关电源的众多的测试项目中,高频开关电源纹波和高频开关电源噪声是一个重要的测试项。

高频开关电源纹波和高频开关电源噪声测量时需注意哪些问题?

高频开关电源纹波和噪声在示波器上的显示。


一、示波器带宽选择

带宽是示波器的最重要的一个指标,理论上来说,只要带宽覆盖被测信号能量的99.9%,测量的误差可以小于3%,即是合适的带宽。因此,业界也存在着多个带宽选择法则,例如:5倍法则、三倍正弦波频率、 1.8倍法则 、1/3法则。针对不同的测量信号和测量要求适用不同的法则。


根据上升时间和带宽的关系,似乎可以得出结论,带宽越高,测量的误差越小。


但实际上,具体的应用中并非如此。因为,示波器毕竟不是一个理想的仪器,测量系统本身有噪声。这些噪声包括放大器的噪声, ADC的噪声,有源探头的噪声,探头地线感应的空间辐射噪声及地环路耦合的传导噪声从信噪比的角度理解,只有当被测信号的能量 远大于示波器测量系统本身带来的噪声能量的 时候即信噪比足够大的时候,选择的带宽才是 合适的。


高频开关电源纹波测量的带宽选择取决于高频开关电源开关管的上升时间,测量纹波的带宽等于测量开关管的带宽 。一般功率小的高频开关电源开关频率可以达到1MHz甚至更大,对应的开关管的上升时间越小。功率大的高频开关电源开关管开关频率小,只有100KHz甚至更小,上升时间大。但是多数开关管MOSFET上升时间达100ns。即使开关管上升时间只有30ns,1/3的上升时间也有10ns,而100MHz的示波器的上升时间只有3.5ns。因此,用100MHz带宽示波器测量开关高频开关电源的开关管是足够的。事实上,很少有开关管上升时间只有30ns的,限制带宽到20MHz就足够了。这也是很多人所说的“在测量高频开关电源纹波时需要将示波器带宽限制为20MHz”的道理。


当然,也有的开关管要求更高的带宽。例如:新型CoolMOS上升时间11ns和下降时间3ns,带宽要求至少300MHz。


二、测量高频开关电源纹波时采样率的选择

一般情况下,按照测量开关管所需要的采样率选择即可, 对于多数MOS管,按照250MS/s就足够了。记住:采样率的选取原则是测试感兴趣的波形细节的上升沿采样3-5个点,最好是5个以上的点,当然,高采样率减少了测试波形的失真。

高频开关电源纹波和高频开关电源噪声测量时需注意哪些问题?

三、测量高频开关电源纹波所需要的捕获时间

基于电网220V的AC输入的高频开关电源纹波包含了开关频率和工频成份; 工频成份是整流之后的100Hz信号 。捕获两个完整100Hz周期需要20ms,所以,建议时基设置为2ms/div以上。

请牢记:存储深度=采样率*采样时间

在存储深度一定的情况下,存储速度越快,存储时间就越短,他们之间是一个反比关系。

提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率:当要测量较长时间的波形时,由于存储深度是固定的,所以只能降低采样率来达到,但这样势必造成波形质量的下降;如果增大存储深度,则可以以更高的采样率来测量,以获取不失真的波形。


四、测量所需的示波器底噪越小越好

本底噪声表示示波器没有任何信号输入时的基线幅值。用户只是用肉眼看基线的粗细,或是测量基线的Pk-Pk,SDEV或RMS值。

作为标准测试设备,如果示波器自身的底噪比较大,那么就很难衡量出被测信号的真实情况。

如果示波器和探头组成的测量系统的底噪接近或大于被测高频开关电源纹波/高频开关电源噪声,也就是测量的信噪比(SNR)太小,高频开关电源纹波/高频开关电源噪声被示波器本地噪声淹没了。 


五、示波器的探测方式

●采用10:1探头的衰减电路引起的本底噪声放大10倍问题 

示波器的输入阻抗和探头的阻抗构成了一条衰减器电路。示波器会自动检测探头的衰减比并重新调整示波器的垂直量程设置,以反应出探头的衰减。采用10:1探头就意味着示波器当前的垂直量程设置是示波器内部放大器输入的10倍 。信号被衰减,但噪声不会被衰减。软件将衰减的信号放大10倍,噪声也放大10倍。


因此,在选择探测方式时会对测试结果带来不同的影响,是选择10:1无源探头 ,还是1:1无源探头或1:1同轴电缆,需要结合自己的实际情况确定。

 

●1:1同轴电缆对于微弱的高频开关电源纹波/噪声测量是必须的

使用衰减因子过大的探头也会导致无法将示波器垂直灵敏度设置到最小,从而会带来更大的量化误差。如果使用常规的无源探头或有源探头,由于衰减因素为10:1,所以最小档位只能到10mV/div或20mv/div。在20mV档位时,底噪通常大于30mV,无法准确测试1.8/2.5等电压在20mV档位时,探头的offset电压可调节范围很小,如果使用直流耦合,可能测量不到某些电压。

 

六、示波器的耦合方式

●AC 1M欧 or DC 50欧+隔直电容?

在芯片端的高频开关电源和地阻抗通常是毫欧级别的,高频的高频开关电源噪声从同轴电缆传输到示波器通道后,当示波器输入阻抗是50欧时,同轴电缆的特性阻抗50欧与通道的完全匹配,没有反射;而通道输入阻抗为1M欧时,相当于是高阻,根据传输线理论,高频开关电源噪声发生反射,这样,导致1M欧输入阻抗时测试的高频开关电源噪声高于50欧。

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●负载效应

当探头连接到电路后,它将从电路中获得能量,然后发送到示波器。探头是一种“电路网络”,是信号源必须驱动的一个额外的“负载”。


右图红线左边表示待测电路,当接上红线右边的探头之后,探头从信号源中吸收电流。 这个探头的电路网络包括了电阻,电感和电容。


如果探头阻抗远大于被测电路阻抗(对于高速电路,一般是50ohm),被探头吸收的电路就非常非常小,如果探头的阻抗等于电路阻抗,从被测电路吸收的电流和被测电路上流过的电流一样。


如果探头从被测电路吸收过多的电流,被测电路就会出现工作异常甚至停止正常。通常情况是被测电路仍然是看起来比较正常地工作,但是由于电流被吸收,测量出来信号电压出现跌落,将影响到用户对被测电路的真实情况的判断,如果没有很好地认识到探头的负载效应的话。


●示波器设置为DC 耦合还是AC耦合?

设置AC耦合的唯一原因是在DC耦合情况下,在量程只有2mv/div甚至更小时,有些示波器的偏置电压范围不够。


●多大的隔直电容是合适的?

高频开关电源纹波和高频开关电源噪声测量时需注意哪些问题?

隔直电容与示波器的50欧电阻组成的电路是一个带通滤波器,在低频时,可忽略电容的等效串联电感ESL,隔直电容与示波器通道的50欧电阻组成RC电路,其低频的3dB截至频率为,随着频率升高,电容的ESL以及探头中的寄生电感的影响越来越大,电感的感抗随着频率增加而增大,其高频的3dB截至频率跟探头和电容的寄生电感相关。

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我们使用SPICE软件来仿真三种不同隔直电容时的频响曲线。黄色、红色、灰色依次为100uf、1uf、10nf电容时电路的频响曲线,容值越大,电路低频截至频率越低,图中3个marker为3根曲线的3dB低频截至频率点。可见,100uf的低频截至频率为31.7Hz,1uf电容的低频截至频率为3.17KHz,10nf电容的低频截至频率约为318KHz。如果没有仿真软件,也可以通过公式直接计算。

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100uf电容的低频截至频率,与仿真结果完全一致。 建议使用1uf以上的隔直电容。


七、接地

在测试时,关于示波器的接地,请大家牢记的一项原则就是“地线越短越好”,工程师在配置时通过以下几点做法可以保证地线尽可能的短:

●尽可能减小探头之间的环路。

●将探头置于合适的位置。

●探头的线缆尽可能的远离辐射源。

●探头的线缆避免缠绕,以避免自身间形成环路而拾取更大的空间辐射噪声。

●对于差分探头,尽量将探头的正、负线缆耦合到一起,使得探头正、负线缆受到平衡的空间辐射,以利于共模 噪声的消除 。

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