電源紋波的正確測試姿勢

電源紋波是電源設計中常見(jiàn)的考量參數，也是電力工程師常見(jiàn)的測試項目。本文將討論電源紋波的產(chǎn)生以及測試。注意，文中提到的“電源紋波”特指直流電源輸出中的交流分量。由于直流輸出中的交流電壓未被完全抑制，直流電壓呈周期性變化。

電源紋波

下面我們將詳細描述各種類(lèi)型的電源紋波。

a、來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)紋波

首先以降壓（buck）電路為例進(jìn)行說(shuō)明。降壓電路的開(kāi)關(guān)器件以特定頻率導通或關(guān)斷。當器件開(kāi)關(guān)時(shí)會(huì )產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)周期一致的開(kāi)關(guān)紋波。開(kāi)關(guān)紋波的頻率范圍通常為幾十 kHz 至幾 MHz。

b、來(lái)自開(kāi)關(guān)電源的高頻紋波

由于電路中寄生電感和電容的影響，實(shí)際中的開(kāi)關(guān)電源還會(huì )隨著(zhù)開(kāi)關(guān)管的導通和截止瞬間產(chǎn)生高頻開(kāi)關(guān)噪聲。開(kāi)關(guān)噪聲的頻率高于開(kāi)關(guān)頻率；其幅值與寄生參數和 PCB 布局有較大關(guān)聯(lián)。

c、負載變化引入的紋波

在某些應用場(chǎng)景中，負載電流會(huì )快速變化。電流的劇烈變化會(huì )導致輸出電壓的波動(dòng)。

很多實(shí)際應用都對電源紋波有嚴格的要求。例如，射頻 (RF) 電路、高速時(shí)鐘和一些高速接口對開(kāi)關(guān)紋波以及全帶寬的紋波都有嚴格要求。

測量電源紋波

示波器是測量紋波最常用的儀器。選擇示波器時(shí)有兩個(gè)主要考量因素：

帶寬選擇：選擇在所需范圍內工作的示波器。例如，要測量500mHz 的紋波，就不能使用 100mHz 示波器來(lái)測試并生成數據。

探頭類(lèi)型：常見(jiàn)的探頭類(lèi)型包括電壓探頭、同軸電纜和差分探頭。

本文將重點(diǎn)介紹如何通過(guò)電壓探頭和同軸電纜進(jìn)行測試。

電壓探頭必須經(jīng)過(guò)事先校準。無(wú)衰減 1倍探頭的輸入阻抗可以忽略。當示波器內部阻抗為1MΩ時(shí)，總輸入阻抗也為1MΩ。

高阻抗 10倍探頭的輸入阻抗為 9MΩ，當示波器內部輸入阻抗為 1MΩ時(shí)，總輸入阻抗為 10MΩ。 如果采用 10 倍探頭，信號通過(guò)阻抗匹配后有 10 倍的衰減；而衰減比越高，信噪比越低。由于紋波屬于小信號，用1倍探頭無(wú)需阻抗匹配，信號沒(méi)有失真，會(huì )更加適合。

測試方法也同樣重要。示波器探頭的地線(xiàn)就相當于一個(gè)小電感，它產(chǎn)生的失真振鈴將會(huì )影響測試結果。通常我們建議采用最小環(huán)法進(jìn)行測試。如果無(wú)法使用示波器的最小環(huán)，也可以用焊錫絲代替。測試時(shí)，探頭應直接放在電容兩端，以盡量減小測試電路。對于開(kāi)關(guān)紋波測試，建議將示波器的帶寬限制在 20mHz，以盡量降低測試技術(shù)和探頭的影響。

我們還建議測試開(kāi)關(guān)紋波的累積值，用以驗證電源的穩定性，并確保無(wú)振蕩。有些負載對高頻噪聲有特殊的要求，需要在全帶寬范圍內進(jìn)行測試。一般推薦使用同軸電纜進(jìn)行測試。因為相比同軸電纜，最小環(huán)測試的接地阻抗和測試環(huán)路仍然偏大。

同軸電纜是有極性的。將同軸電纜焊接到輸出電容的正負端可以產(chǎn)生更真實(shí)的波形。

對于需要在更高和更低溫度下測試紋波的高可靠性產(chǎn)品，同軸電纜更加理想，它可以與為 IC 供電的設備放在一起，尤其是放在高溫或低溫箱中時(shí)，不會(huì )因纜線(xiàn)過(guò)長(cháng)而導致測試結果失真。

結論

本文中回顧了測量電源紋波的基本方法，并探討了如何使用電壓探頭和同軸電纜進(jìn)行測試。對于要求嚴苛的開(kāi)關(guān)模式設計、一般開(kāi)關(guān)紋波應用以及需要在全帶寬范圍內提供適當紋波值的應用來(lái)說(shuō)，電源紋波的產(chǎn)生與測試至關(guān)重要。