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電源紋波和電源噪聲測量的七大注意事項(xiàng)

示波器是測量電源紋波和電源噪聲的必備工具,但在實(shí)際的測量中,如何選擇合適的帶寬、采樣率,如何選擇探頭、示波器的耦合方式,甚至接地,都會對測量結(jié)果帶來不一樣的影響,以下總結(jié)了一些來自具體實(shí)際案例中的關(guān)鍵注意事項(xiàng)。(本文整理自21ic主辦的電源技術(shù)研討會)


電源紋波(Power Ripple)和電源噪聲(Power Noise)的定義

目前,關(guān)于電源紋波和電源噪聲其實(shí)并沒有一個(gè)協(xié)會給定的標(biāo)準(zhǔn)定義。但是,業(yè)內(nèi)漸漸形成了一個(gè)約定俗成的說法,將電源紋波理解為電源模塊包括VRM的輸出電壓的波動(dòng),和復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān),或者說是電源輸出的源端(Source端)的電壓的波動(dòng),電源噪聲則是指電源模塊工作在實(shí)際產(chǎn)品系統(tǒng)中,經(jīng)過供電分布網(wǎng)絡(luò)將電源能量輸送到芯片管腳處,在芯片管腳處的電壓的波動(dòng),或者簡單說是電源輸出的末端(Sink端)的電壓的波動(dòng)。

也可以這么說:電壓的波動(dòng)在源端叫紋波(Ripple),在末端叫噪聲(Noise)。
 

在開關(guān)電源的眾多的測試項(xiàng)目中,電源紋波和電源噪聲是一個(gè)重要的測試項(xiàng)。

 
電源紋波和噪聲在示波器上的顯示。

一、示波器帶寬選擇

帶寬是示波器的最重要的一個(gè)指標(biāo),理論上來說,只要帶寬覆蓋被測信號能量的99.9%,測量的誤差可以小于3%,即是合適的帶寬。因此,業(yè)界也存在著多個(gè)帶寬選擇法則,例如:5倍法則、三倍正弦波頻率、 1.8倍法則 、1/3法則。針對不同的測量信號和測量要求適用不同的法則。

根據(jù)上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系,似乎可以得出結(jié)論,帶寬越高,測量的誤差越小。

但實(shí)際上,具體的應(yīng)用中并非如此。因?yàn)椋静ㄆ鳟吘共皇且粋€(gè)理想的儀器,測量系統(tǒng)本身有噪聲。這些噪聲包括放大器的噪聲, ADC的噪聲,有源探頭的噪聲,探頭地線感應(yīng)的空間輻射噪聲及地環(huán)路耦合的傳導(dǎo)噪聲從信噪比的角度理解,只有當(dāng)被測信號的能量 遠(yuǎn)大于示波器測量系統(tǒng)本身帶來的噪聲能量的 時(shí)候即信噪比足夠大的時(shí)候,選擇的帶寬才是 合適的。

電源紋波測量的帶寬選擇取決于電源開關(guān)管的上升時(shí)間,測量紋波的帶寬等于測量開關(guān)管的帶寬 。一般功率小的電源開關(guān)頻率可以達(dá)到1MHz甚至更大,對應(yīng)的開關(guān)管的上升時(shí)間越小。功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小,只有100KHz甚至更小,上升時(shí)間大。但是多數(shù)開關(guān)管MOSFET上升時(shí)間達(dá)100ns。即使開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns,1/3的上升時(shí)間也有10ns,而100MHz的示波器的上升時(shí)間只有3.5ns。因此,用100MHz帶寬示波器測量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。事實(shí)上,很少有開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns的,限制帶寬到20MHz就足夠了。這也是很多人所說的“在測量電源紋波時(shí)需要將示波器帶寬限制為20MHz”的道理。

當(dāng)然,也有的開關(guān)管要求更高的帶寬。例如:新型CoolMOS上升時(shí)間11ns和下降時(shí)間3ns,帶寬要求至少300MHz。

二、測量電源紋波時(shí)采樣率的選擇
一般情況下,按照測量開關(guān)管所需要的采樣率選擇即可, 對于多數(shù)MOS管,按照250MS/s就足夠了。記住:采樣率的選取原則是測試感興趣的波形細(xì)節(jié)的上升沿采樣3-5個(gè)點(diǎn),最好是5個(gè)以上的點(diǎn),當(dāng)然,高采樣率減少了測試波形的失真。

三、測量電源紋波所需要的捕獲時(shí)間

基于電網(wǎng)220V的AC輸入的電源紋波包含了開關(guān)頻率和工頻成份; 工頻成份是整流之后的100Hz信號 。捕獲兩個(gè)完整100Hz周期需要20ms,所以,建議時(shí)基設(shè)置為2ms/div以上。

請牢記:存儲深度=采樣率*采樣時(shí)間

在存儲深度一定的情況下,存儲速度越快,存儲時(shí)間就越短,他們之間是一個(gè)反比關(guān)系。

提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率:當(dāng)要測量較長時(shí)間的波形時(shí),由于存儲深度是固定的,所以只能降低采樣率來達(dá)到,但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降;如果增大存儲深度,則可以以更高的采樣率來測量,以獲取不失真的波形。

四、測量所需的示波器底噪越小越好

本底噪聲表示示波器沒有任何信號輸入時(shí)的基線幅值。用戶只是用肉眼看基線的粗細(xì),或是測量基線的Pk-Pk,SDEV或RMS值。

作為標(biāo)準(zhǔn)測試設(shè)備,如果示波器自身的底噪比較大,那么就很難衡量出被測信號的真實(shí)情況。

如果示波器和探頭組成的測量系統(tǒng)的底噪接近或大于被測電源紋波/電源噪聲,也就是測量的信噪比(SNR)太小,電源紋波/電源噪聲被示波器本地噪聲淹沒了。 

五、示波器的探測方式
●采用10:1探頭的衰減電路引起的本底噪聲放大10倍問題 

示波器的輸入阻抗和探頭的阻抗構(gòu)成了一條衰減器電路。示波器會自動(dòng)檢測探頭的衰減比并重新調(diào)整示波器的垂直量程設(shè)置,以反應(yīng)出探頭的衰減。采用10:1探頭就意味著示波器當(dāng)前的垂直量程設(shè)置是示波器內(nèi)部放大器輸入的10倍 。信號被衰減,但噪聲不會被衰減。軟件將衰減的信號放大10倍,噪聲也放大10倍。

因此,在選擇探測方式時(shí)會對測試結(jié)果帶來不同的影響,是選擇10:1無源探頭 ,還是1:1無源探頭或1:1同軸電纜,需要結(jié)合自己的實(shí)際情況確定。
 
●1:1同軸電纜對于微弱的電源紋波/噪聲測量是必須的
使用衰減因子過大的探頭也會導(dǎo)致無法將示波器垂直靈敏度設(shè)置到最小,從而會帶來更大的量化誤差。如果使用常規(guī)的無源探頭或有源探頭,由于衰減因素為10:1,所以最小檔位只能到10mV/div或20mv/div。在20mV檔位時(shí),底噪通常大于30mV,無法準(zhǔn)確測試1.8/2.5等電壓在20mV檔位時(shí),探頭的offset電壓可調(diào)節(jié)范圍很小,如果使用直流耦合,可能測量不到某些電壓。
 
六、示波器的耦合方式
●AC 1M歐 or DC 50歐+隔直電容?
在芯片端的電源和地阻抗通常是毫歐級別的,高頻的電源噪聲從同軸電纜傳輸?shù)绞静ㄆ魍ǖ篮螅?dāng)示波器輸入阻抗是50歐時(shí),同軸電纜的特性阻抗50歐與通道的完全匹配,沒有反射;而通道輸入阻抗為1M歐時(shí),相當(dāng)于是高阻,根據(jù)傳輸線理論,電源噪聲發(fā)生反射,這樣,導(dǎo)致1M歐輸入阻抗時(shí)測試的電源噪聲高于50歐。
 

●負(fù)載效應(yīng)

當(dāng)探頭連接到電路后,它將從電路中獲得能量,然后發(fā)送到示波器。探頭是一種“電路網(wǎng)絡(luò)”,是信號源必須驅(qū)動(dòng)的一個(gè)額外的“負(fù)載”。

右圖紅線左邊表示待測電路,當(dāng)接上紅線右邊的探頭之后,探頭從信號源中吸收電流。 這個(gè)探頭的電路網(wǎng)絡(luò)包括了電阻,電感和電容。

如果探頭阻抗遠(yuǎn)大于被測電路阻抗(對于高速電路,一般是50ohm),被探頭吸收的電路就非常非常小,如果探頭的阻抗等于電路阻抗,從被測電路吸收的電流和被測電路上流過的電流一樣。

如果探頭從被測電路吸收過多的電流,被測電路就會出現(xiàn)工作異常甚至停止正常。通常情況是被測電路仍然是看起來比較正常地工作,但是由于電流被吸收,測量出來信號電壓出現(xiàn)跌落,將影響到用戶對被測電路的真實(shí)情況的判斷,如果沒有很好地認(rèn)識到探頭的負(fù)載效應(yīng)的話。

●示波器設(shè)置為DC 耦合還是AC耦合?

設(shè)置AC耦合的唯一原因是在DC耦合情況下,在量程只有2mv/div甚至更小時(shí),有些示波器的偏置電壓范圍不夠。

●多大的隔直電容是合適的?


隔直電容與示波器的50歐電阻組成的電路是一個(gè)帶通濾波器,在低頻時(shí),可忽略電容的等效串聯(lián)電感ESL,隔直電容與示波器通道的50歐電阻組成RC電路,其低頻的3dB截至頻率為,隨著頻率升高,電容的ESL以及探頭中的寄生電感的影響越來越大,電感的感抗隨著頻率增加而增大,其高頻的3dB截至頻率跟探頭和電容的寄生電感相關(guān)。
 

我們使用SPICE軟件來仿真三種不同隔直電容時(shí)的頻響曲線。黃色、紅色、灰色依次為100uf、1uf、10nf電容時(shí)電路的頻響曲線,容值越大,電路低頻截至頻率越低,圖中3個(gè)marker為3根曲線的3dB低頻截至頻率點(diǎn)。可見,100uf的低頻截至頻率為31.7Hz,1uf電容的低頻截至頻率為3.17KHz,10nf電容的低頻截至頻率約為318KHz。如果沒有仿真軟件,也可以通過公式直接計(jì)算。
 

100uf電容的低頻截至頻率,與仿真結(jié)果完全一致。 建議使用1uf以上的隔直電容。

七、接地
在測試時(shí),關(guān)于示波器的接地,請大家牢記的一項(xiàng)原則就是“地線越短越好”,工程師在配置時(shí)通過以下幾點(diǎn)做法可以保證地線盡可能的短:
●盡可能減小探頭之間的環(huán)路。
●將探頭置于合適的位置。
●探頭的線纜盡可能的遠(yuǎn)離輻射源。
●探頭的線纜避免纏繞,以避免自身間形成環(huán)路而拾取更大的空間輻射噪聲。

●對于差分探頭,盡量將探頭的正、負(fù)線纜耦合到一起,使得探頭正、負(fù)線纜受到平衡的空間輻射,以利于共模 噪聲的消除 。

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