家居网站建设咨询,网页设计实训步骤,孝感高新区建设局网站,网站建设与管理吴振峰ppt随着开关频率和开关速度不断的提升#xff0c;在使用开关型的DC/DC电源的时候#xff0c;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#xff0c;导致很多人很迷惑。这篇文章提供了一个简单可…
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。 1、无源探头DC耦合测试 使用无源探头DC耦合测试示波器内部设置为DC耦合耦合阻抗为1Mohm此时无源探头的地线接主板地信号线接待测电源信号。这种测量方法可以测到除DC以外的电源噪声纹波。 如图4所示当采用普通的鳄鱼夹探头时由于地和待测信号之间的环路太大而探头探测点靠近高速运行的IC芯片近场辐射较大会有很多EMI噪声辐射到探头回路中使测试的数据不准确。为了改善这种情况推荐用无源探头测试纹波时使用右图中的探头将地信号缠绕在信号引脚上相当于在地和信号之间存在一个环路电感对高频信号相当于高阻有效抑制由于辐射产生的高频噪声。更多时候建议测试者采用第三种测试方法将一个漆包线绕在探头上然后将漆包线的焊接到主板地网络上移动探头去测试每一路电源纹波噪声。同时无源探头要求尽量采用1:1的探头杜绝使用1:10的探头。 无源探头地线两种处理方法 对于示波器若垂直刻度为xV/div示波器垂直方向为10div满量程为10xV示波器采样AD为8位则量化误差为10x/256 V。例如一个1V电源噪声纹波为50mV如果要显示这个信号需要设置垂直刻度为200mV/div此时量化误差为7.8mV如果把直流1V通过offset去掉只显示纹波噪声信号垂直刻度设置为10mV即可此时的量化误差为0.4mV。 使用无源探头DC耦合测试示波器设置如下 11Mohm端接匹配
2DC耦合
3全带宽
4offset设置为电源电压 2、无源探头AC耦合测试 使用无源探头DC耦合需要设置offset对于电源电压不稳定的情况offset设置不合理会导致屏幕上显示的信号超出量程此时选择AC耦合使用内置的搁置电路来滤去直流分量。对于大多数的示波器会有如下参数设置为AC耦合此时测量的为10Hz以上的噪声纹波。 示波器两种耦合方式频点 使用无源探头AC耦合测试设置如下 11Mohm端接匹配
2AC耦合
3全带宽
4offset设置为0 3、 同轴线外部隔直电容DC50欧耦合测试 由于无源探头的带宽较低而电源开关噪声一般都在百MHz以上同时电源内阻一般在几百毫欧以内选择高阻1Mohm的无源探头对于高频会产生反射现象因此可以选择用同轴线来代替无源探头此时示波器端接阻抗设置为50欧与同轴线阻抗相匹配根据传输线理论电源噪声没有反射此时认为测量结果最准确。 利用同轴线的测量方法最准确的是采用DC50欧但是大部分示波器在DC50欧时offset最大电压为1V无法满足大部分电源的测量要求而示波器内部端接阻抗为50欧时不支持AC耦合因此需要外置一个AC电容如图6所示当串联电容值为10uF时根据表1可以看到此时可以准确测试到2KHz以上的纹波噪声信号。 同轴线DC50测量图 4、同轴线AC1M欧耦合测试 由于从PMU出来的电源纹波噪声大多集中在1MHz以内如果采用同轴线DC50外置隔直电容测量方法低频噪声分量损失较为严重因此改用图7所示的测量方法利用同轴线传输信号示波器设置为AC1M这样虽然存在反射但是反射信号经过较长CABLE线折返传输后影响是有限的示波器在R2上采集电压值可以认为仍然可以被参考。 同轴线AC1M测量图 为了避免反射在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电阻使示波器输入阻抗和cable线特征阻抗匹配。 同轴线AC1M测量改进图 5、差分探头外置电容DC耦合测试 由于示波器的探头地和机壳地通过一个小电容接在一起而示波器的机壳地又通过三角插头和大地接在一起在实验室里几乎所有的设备地都和大地接在一起示波器内部地线接法如图9所示因此上面介绍的两种方法都无法解决地干扰问题为了解决这个问题需要引入浮地示波器或者差分探头。 示波器内部地线接法 如图10所示为差分接法由于差分探头为有源探头外置差动放大器可以将待测信号通过差分方式接入使示波器的地和待测件地隔离开达到浮地效果。但是差分探头在示波器内部只能DC50欧耦合而offset最大一般不超过1V因此需要在差分探头上串联隔直电容。使用差分探头测量时关键是探头的CMRR要足够大这样才能有效抑制共模噪声。 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。
