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纹波和噪声测试很烦人?解决DC/DC开关电源测试只需一招

发布时间:2017-03-27 来源:EEFOCUS 责任编辑:susan

【导读】随着开关频率和开关速度不断的提升,在使用开关型的DC/DC电源的时候,要特别关注输入输出电源的纹波。但是测量DC/DC电源的纹波和噪声没有一个行业标准。不同厂家的测试环境以及测试标准都不太一样,导致很多人很迷惑。这篇文章提供了一个简单可靠的电源纹波的测试方法,这种测试方法的可复现性很好,并且不需要带宽很高的示波器和探头。

这篇文章适合用于测量开关型DC/DC转换器的输入以及输出纹波,包括电荷泵,但是不适用于低压差稳压器(LDO)。
 
纹波和噪声Ripple and Noise
 
纹波和噪声指的是在DC/DC转换器输入输出电容上的交流耦合信号,在测试中,一般我们会将这个信号带宽限制到20MHz。
 
纹波和噪声主要由以下四项组成。
 
 
--电源纹波(PWM frequency RIPPLE),和PWM频率相同的。这个纹波表示了输入和输出电容上的充放电过程,在最大负载时,这个纹波达到最大值。这种电压的波动可以通过加大输入输出电容、加大输出电感来减小。
 
--开关噪声(SWITCHING NOISE),这种噪声发生在电源的开关时刻。虽然开关噪声的重复周期和PWM频率一致,但是振荡频率一般都很高。开关噪声新的振幅一般取决于电源芯片、电路寄生参数以及PCB布板。
 
--工频噪声(Recfified main RIPPLE),一般是交流供电频率的两倍。我国供电频率是50Hz,所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器。大小取决于整流电路的类型。对于半波整流,50Hz;对于全波整流,是100Hz;对于三相全波整流,300Hz。
 
--非周期性的随机噪声(NOISE),和AC电源开关频率均无关。
 
由于现在AC-DC部分大多采用模块开关电源,后级DC/DC电路工频噪声比较小;随机噪声无法量化。所以一般不考虑这两项的影响,典型的开关电源纹波噪声如下图所示。我们需要测量的是纹波以及开关噪声之和。
 
 
接下来描述了在错误以及正确测量电源纹波噪声的两种方式。
 
下图是一个错误的测量方式,因为示波器的地线会拾取辐射噪声。示波器的地线和信号探头形成的环路形成了一个天线。环路面积越大,在电源PWM切换时,示波器接受到的开关噪声就越大。
 
 
在测量中,如何减小拾取的辐射噪声?最简单可靠的方法是采用一个接地环来测量电源纹波以及噪声。为了进一步的降低测试误差,可以将示波器探头和地线直接放在电源输出电容得两端。如下图所示,采用这种方法,在信号探头和地线之间的环路面积很小,所以测量中带来误差的噪声几乎可以忽略。
 
 
因为现在的示波器探头都附带有接地环,所以,不再详细描述如何做一个接地环了。原文里有相关描述,见文末链接。
 
实测案例(Example)
 
下图描述了采用两个不同的测试方法得到的Vout波形。电源电路是一个BUCK转换电路(AAT1121),工作在1.5MHz的开关频率,输出电压为1.8V/250mA。示波器采用全带宽测试。可以看到伴随着PWM开关,在绿色的trace2有一个很高的噪音以及振铃,但是trace3上却没有明显的噪声。通过对比可以看到,测试方法的选择对结果的准确性很关键。
 
 
下图是采用20MHz带宽限制测试到的电源的纹波以及噪声。示波器20MHz的带宽限制是为了防止无源探头带入的共模噪声。可以看到AAT1121BUCK转换器的纹波噪声为10mVp-p,几乎看不到开关噪声。这主要是归功于BUCK控制器的低噪声设计,良好的PCB设计,以及恰当的测试方法。
 
 
总结
 
下面总结一下正确的测量DC/DC开关电源纹波和噪音的方法。
 
1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz,高端产品还有200MHz带宽限制的选择),目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量,尽量保证测量的准确性。
 
2)设置耦合方式为交流耦合,方便测量(以更小档位来仔细观测纹波,不关心直流电平)。
 
3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长),尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针,可以拆除探头的接地线和外壳,露出探头地壳,自制接地线缠绕在探头地壳上,保证接地线长度小于1cm。

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