開關(guān)模式電源（SMPS）上的噪聲有時會變得很糟糕。
我正在評估一個簡單的低成本開關(guān)電源（SMPS）上的電壓噪聲，并且由于這些噪聲電源的不良聲譽幾乎在日益增加。
就其性質(zhì)而言，nSMPS的輸出會有一些開關(guān)噪聲。畢竟，它們被設(shè)計為使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）（或脈沖頻率調(diào)制，PFM）信號從較高直流電源切換電流，然后使用2極LC濾波器對其進行濾波。
MOSFET的開關(guān)動作產(chǎn)生交替周期，其中電流首先流入電感器，然后由電感器放電。這導(dǎo)致大的dI / dt和大的電壓尖峰。我們經(jīng)常可以看到這種噪音。因此這里有一個問題：需要確認LC濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸?shù)诫娐返钠溆嗖糠址矫嬗卸嗝从行А?/p>
SMPS的典型輸出電壓將在開關(guān)頻率處顯示紋波。一個重要的指標(biāo)是當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器沒有負載時，然后在應(yīng)用中加載典型負載電阻時有多少紋波。
我最近有一個低噪聲應(yīng)用，我想嘗試使用一個非常低成本的3.3 V SMPS;僅需要50 mA的負載電流。我有一個評估板，我用5 V的墻壁電源連接到這個SMPS電源上，用一個簡單的10×探頭測量輸出。我的測量配置如圖1所示。
圖1.使用10倍探頭測量輸出電壓軌。
直流電平在3.3 V時很好。憑借我的Teledyne LeCroy HDO 8108示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能夠抵消這個電壓，這樣我就可以放大紋波噪聲，同時尋找慢速直流漂移。圖2顯示了10 mV / div刻度下的測量電壓噪聲。
圖2. SMPS輸出上的測量噪聲，10×探頭，10 mV / div。
開關(guān)周期是20微秒 - 顯而易見對應(yīng)于50 kHz的開關(guān)頻率。從電感器電流的充電和放電循環(huán)預(yù)期三角形脈沖。但是，除了這個預(yù)期的特征之外，還有兩種類型的高頻噪聲。平坦區(qū)域存在的10 mV峰峰值噪聲，以及有時會達到60 mV峰峰值的尖峰噪聲。
高頻噪音和尖銳尖峰的噪聲令人不安。這些噪聲沒有被2極LC濾波器濾除。如果我使用這種電源，我怎么能確保我的電路板能夠保持足夠的我希望實現(xiàn)的功能，盡管有這些噪音？
然而，事實證明，這種噪音實際上不是電源輸出上的電壓噪聲。它們是在我的探針上探測到的所有射頻信號。
通過LC濾波器中的電感器的大dI / dt導(dǎo)致在SMPS附近產(chǎn)生的大磁場。任何具有低電感路徑的環(huán)路都會產(chǎn)生磁感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電壓，我們可以采用示波器來進行測量。
我在連接到SMPS引線的10倍探針頭上制作了一個環(huán)形天線，可以拾取這些尖峰噪聲。您的第一個想法可能是，但10×探頭的尖端是否有9MΩ電阻？這不是一個可以阻止任何交流（AC）電流在環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)的大阻抗嗎？
尖端有一個9MΩ的電阻，但是它也有一個10 pF的并聯(lián)電容，這是均衡器電路的一部分，高頻電流通過該電路流過。在100 MHz時，10 pF電容的阻抗僅為160Ω，非常低。
為了測試這些噪聲是否真的是探頭中的RF拾取而不是電源軌上的實際噪聲的想法，我將一個小型SMA連接器焊接到電路板的輸出端，以減小環(huán)形天線面積和輻射靈敏度領(lǐng)域。此外，我在測量SMPS輸出電壓的附近添加了另一個10倍探頭，但是使用這個第二探頭，尖端短接到地線。這種設(shè)置允許我使用10倍探頭同時測量電源輸出軌，通過SMA連接器測量輸出軌，以及本地RF噪聲（探頭拾取，尖端短接到地線）。如圖3所示。
圖3
圖3.使用兩個10×探頭和一個同軸1×連接來測量SMPS輸出上的電壓噪聲。
圖4
圖4顯示了使用這三種方法測量的噪聲。
圖4. SMPS輸出上的測量電壓。所有通道都在相同的10 mV / div范圍內(nèi)。
有兩個重要的觀察結(jié)果。首先，1×同軸電纜的平均噪聲水平遠低于10×探頭。這實際上是由于10×探針不是真正的10×探針，它是0.1×探針。它將信號衰減10倍，將其幅度降低20 dB。當(dāng)我們測量小信號電平時，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。
大多數(shù)示波器都足夠聰明，可以識別出有一個10×探頭連接到通道。它們會自動調(diào)整顯示的電壓標(biāo)度，以補償十倍因子衰減并顯示尖端電壓。因此，當(dāng)示波器以10 mV / div刻度顯示信號時，它實際上在放大器上使用1 mV / div刻度。我們所看到的是，在尖端噪聲峰值達到10 mV峰值時，示波器放大器的峰峰值噪聲約為1 mV。
使用SMA連接的同軸電纜實際上是1×探頭。該跡線也以10 mV / div刻度顯示。在這種情況下，1 mV峰峰值的放大器噪聲或多或少地包含在跡線的線寬內(nèi)。
這表明了一個重要的最佳測量實踐：當(dāng)我們觀察低幅度信號時，例如電源軌噪聲，任何10倍衰減探頭都會將我們的SNR降低20 dB。當(dāng)每個dB計數(shù)都很重要時，請勿使用衰減探頭。
第二個觀察結(jié)果是，同軸連接中不存在大而尖銳的尖峰，而是存在于兩個10×探針測量中。由于其中一個探頭甚至沒有觸及軌道輸出，這強烈表明尖峰尖峰噪聲是由于RF拾取引起的，而不是SMPS輸出上的電壓噪聲。
這表明第二個重要的最佳測量實踐：在測量低幅度信號時，使用盡可能接近同軸連接的測量設(shè)置，以減少探頭的環(huán)路面積及其作為天線的有效性。
如果我們實施這兩種最佳測量方法，我們在3.3 V電壓軌中具有30 mV的峰峰值紋波噪聲。這是1％的紋波，非常適合低成本的SMPS的噪聲水平。此外，高頻噪聲大大降低，并且短持續(xù)時間瞬態(tài) - 實際上作為RF拾取噪聲而不是軌道電壓噪聲 - 不再作為切換器輸出信號的一部分顯示。
只要我使用靠近我的電源和信號路徑的地平面，這是一個重要的最佳設(shè)計實踐，由此SMPS供電的設(shè)備和我板上的信號將只看到由50 kHz SMPS產(chǎn)生的諧波。
使用直接同軸，低噪聲連接，我測量了SMPS電源軌上的噪聲頻譜。一個例子如圖5所示。
圖5
圖5.電源軌上的噪聲頻譜。 Top是時變頻譜圖，超過10秒，顯示非常穩(wěn)定的幅度。在此范圍內(nèi)，0 dBmV是1 mV噪聲幅度。
頻譜中的峰值是開關(guān)頻率的50 kHz諧波。一次諧波的幅度約為10 dBmV，即3 mV。這遠小于在時域中測量的30mV峰峰值電壓。這是因為紋波噪聲具有如此低的占空比。在一次諧波的短時三角脈沖中沒有太多的正弦波。大量高次諧波表示時域中波形的奇怪形狀及其高頻內(nèi)容。
所有開關(guān)噪聲均低于約3 MHz時的10μV幅度。對于我的應(yīng)用，這是一個可接受的噪音水平，實際上對于這種低成本的SMPS來說它已經(jīng)非常低。
結(jié)論
本文討論了關(guān)于開關(guān)電源實際產(chǎn)生的電壓噪聲的重要考慮因素，并介紹了兩種最佳測量方法，可幫助您對開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出軌進行精確的示波器測量。
