開關(guān)電源的紋波是指,疊加在開關(guān)電源輸出電壓上,頻率與開關(guān)頻率一致的交流量,其產(chǎn)生原因是開關(guān)電源的電流紋波作用在電容的ESR上。而噪聲一般是指全帶寬下輸出電壓上疊加的交流量。
測量紋波、噪聲,需要使用隔直板+同軸電纜,而隔直板上的電容容量需要根據(jù)開關(guān)頻率進行確定。
紋波測量:用同軸電纜從電源模塊上引出輸出,接到隔直板上,然后再通過同軸電纜接入示波器。示波器阻抗選擇50歐姆,AC耦合,帶寬限制在20MHz,然后進行測量與讀數(shù)。測出的波形一般近似于三角波。
噪聲測量:將示波器的帶寬限制取消,其余配置相同,然后進行測量與讀數(shù)。
我們在測試紋波的時候,希望能夠測試準(zhǔn)確,不希望其他頻段的干擾引入導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)異常。所以用同軸電纜或者探頭測試紋波的時候,地線的處理都尤為關(guān)鍵,否則會通過地線引入不必要的噪聲。
在圖所示的示例中,測試者犯了兩個錯誤。他的一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針;他的第二個錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近;他的一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中,存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形,其中包括耦合自電源變壓器的磁場,耦合自開關(guān)節(jié)點的電場,以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。
DC/DC模塊的電源紋波指標(biāo)是一項很重要的參數(shù)。干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提,也是模擬器件的各項參數(shù)的重要保障。為確定電源的質(zhì)量,必須對DC/DC模塊的輸出紋波進行測量。但很多人測量得到的紋波值動輒上百mV,甚至幾百mV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)比器件手冊提供的大紋波值大,這主要是測量方法的不正確造成的。
正確的測量方法
1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz,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量,盡量保證測量的準(zhǔn)確性。
2)設(shè)置耦合方式為交流耦合,方便測量(以更小檔位來仔細(xì)觀測紋波,不關(guān)心直流電平).
3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動輒上百mV的主要原因就是接地線太長),盡量使用探頭自帶的原裝測試短針。如果沒有測試短針,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,保證接地線長度小于1cm。
4)示波器地懸空,只通過探頭地與測試信號的參考點共地,不要通過其他方式與測試設(shè)備共地,這樣會給紋波測量引入很大的地噪聲。例如:當(dāng)示波器和其他儀器共插線板時,其他儀器的開關(guān)可能通過接地線給測試帶來噪聲干擾。
地線過長,導(dǎo)致測試結(jié)果明顯不正確。
探頭的GND和信號兩個探測點的距離也非常重要,當(dāng)兩點相距較遠(yuǎn),會有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中(如下圖所示),示波器觀察的波形包括了其他信號分量,導(dǎo)致錯誤的測試結(jié)果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點間距,減小環(huán)路面積。
在隔離電源中,會產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降,從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問題的出現(xiàn),我們就需要特別注意電源設(shè)計的共模濾波。另外,將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器,其在不影響差分電壓測量的同時,還減少了共模電流引起的測量誤差。下圖顯示了該相同電路的紋波電壓,其使用了改進的測量方法。這樣,高頻峰值就被真正地消除了。
1.有條件的話使用隔直板+同軸電纜的配置,同軸電纜能很好的抑制空間中的輻射。
2.單純使用示波器測量的話,地線夾要盡可能短,并繞在探針上,即成環(huán)??;有條件的話,將示波器引線纏繞在鐵氧體磁芯上。
3.直接測量電源模塊的輸出引腳。
使用同軸電纜
電源紋波應(yīng)該采用同軸電纜測試
同軸電纜測試的結(jié)果較為準(zhǔn)確,且受到人為因素的影響較小(焊接在單板上結(jié)果較穩(wěn)定);缺點為測試需要焊接,若測試點較多,耗費時間較長,若操作不甚,還有可能會損壞單板。
同軸電纜測試工作原理圖如下:
測試點選擇
焊接位置選取靠近被測對象的濾波電容處(即離芯片管腳近,條件允許的情況下,優(yōu)先選取背面的電容進行測試,靠近芯片管腳是為了更真實的測到負(fù)載的情況),如有空焊盤亦可選取
測試時,測試點盡量選取小電容作為測試點;現(xiàn)在所用電容,特別是BGA的去耦電容,封裝都比較小,一般為0201。為方便測試,可在電纜上焊接不大于0.5cm的漆包線,地線可以選擇近的地 。
若被測對象同一網(wǎng)絡(luò)電源管腳較分散,一般盡量選取靠近負(fù)載且離電源源端較遠(yuǎn)的點,如果同一網(wǎng)絡(luò)分散在芯片周圍,應(yīng)至少選取兩個離電源源端較遠(yuǎn)的點進行測試。
示波器的設(shè)置
測試項解讀:
測試項 MAX:當(dāng)前屏幕波形中的大值。
測試項 MIN:當(dāng)前屏幕波形中的小值。
測試項 PK-PK:當(dāng)前屏幕波形中的峰峰值。
圖中每一個測試項有五個值,一個值為當(dāng)前屏幕的值,第二個值μ為RUN到STOP的統(tǒng)計平均值,第三個值m為RUN到STOP的統(tǒng)計小值,第四個值M為RUN到STOP的統(tǒng)計大值,第五個值σ為標(biāo)準(zhǔn)差,上面Acqs為統(tǒng)計次數(shù)。
紋波讀取MAX,MIN,PK-PK的值(MAX PK-PK記錄值,MIN記錄小值),上圖中,噪聲的PK-PK值為32mv,MAX值為16mv,MIN值為-18.4mv。