紋波和噪聲測(cè)試很煩人？解決DC/DC開關(guān)電源測(cè)試只需一招

隨著開關(guān)頻率和開關(guān)速度不斷的提升，在使用開關(guān)型的DC/DC電源的時(shí)候，要特別關(guān)注輸入輸出電源的紋波。但是測(cè)量DC/DC電源的紋波和噪聲沒有一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。不同廠家的測(cè)試環(huán)境以及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)都不太一樣，導(dǎo)致很多人很迷惑。這篇文章提供了一個(gè)簡(jiǎn)單可靠的電源紋波的測(cè)試方法，這種測(cè)試方法的可復(fù)現(xiàn)性很好，并且不需要帶寬很高的示波器和探頭。

這篇文章適合用于測(cè)量開關(guān)型DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入以及輸出紋波，包括電荷泵，但是不適用于低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。

紋波和噪聲Ripple and Noise

紋波和噪聲指的是在DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入輸出電容上的交流耦合信號(hào)，在測(cè)試中，一般我們會(huì)將這個(gè)信號(hào)帶寬限制到20MHz。

紋波和噪聲主要由以下四項(xiàng)組成。

--電源紋波（PWM frequency RIPPLE)，和PWM頻率相同的。這個(gè)紋波表示了輸入和輸出電容上的充放電過程，在最大負(fù)載時(shí)，這個(gè)紋波達(dá)到最大值。這種電壓的波動(dòng)可以通過加大輸入輸出電容、加大輸出電感來減小。

--開關(guān)噪聲(SWITCHING NOISE)，這種噪聲發(fā)生在電源的開關(guān)時(shí)刻。雖然開關(guān)噪聲的重復(fù)周期和PWM頻率一致，但是振蕩頻率一般都很高。開關(guān)噪聲新的振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數(shù)以及PCB布板。

--工頻噪聲(Recfified main RIPPLE)，一般是交流供電頻率的兩倍。我國(guó)供電頻率是50Hz，所以它的紋波主要來自工頻50Hz變壓器。大小取決于整流電路的類型。對(duì)于半波整流，50Hz；對(duì)于全波整流，是100Hz；對(duì)于三相全波整流，300Hz。

--非周期性的隨機(jī)噪聲(NOISE)，和AC電源開關(guān)頻率均無關(guān)。

由于現(xiàn)在AC-DC部分大多采用模塊開關(guān)電源，后級(jí)DC/DC電路工頻噪聲比較小；隨機(jī)噪聲無法量化。所以一般不考慮這兩項(xiàng)的影響，典型的開關(guān)電源紋波噪聲如下圖所示。我們需要測(cè)量的是紋波以及開關(guān)噪聲之和。

接下來描述了在錯(cuò)誤以及正確測(cè)量電源紋波噪聲的兩種方式。

下圖是一個(gè)錯(cuò)誤的測(cè)量方式，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€會(huì)拾取輻射噪聲。示波器的地線和信號(hào)探頭形成的環(huán)路形成了一個(gè)天線。環(huán)路面積越大，在電源PWM切換時(shí)，示波器接受到的開關(guān)噪聲就越大。

在測(cè)量中，如何減小拾取的輻射噪聲？最簡(jiǎn)單可靠的方法是采用一個(gè)接地環(huán)來測(cè)量電源紋波以及噪聲。為了進(jìn)一步的降低測(cè)試誤差，可以將示波器探頭和地線直接放在電源輸出電容得兩端。如下圖所示，采用這種方法，在信號(hào)探頭和地線之間的環(huán)路面積很小，所以測(cè)量中帶來誤差的噪聲幾乎可以忽略。

因?yàn)楝F(xiàn)在的示波器探頭都附帶有接地環(huán)，所以，不再詳細(xì)描述如何做一個(gè)接地環(huán)了。原文里有相關(guān)描述，見文末鏈接。

實(shí)測(cè)案例（Example）

下圖描述了采用兩個(gè)不同的測(cè)試方法得到的Vout波形。電源電路是一個(gè)BUCK轉(zhuǎn)換電路（AAT1121），工作在1.5MHz的開關(guān)頻率，輸出電壓為1.8V/250mA。示波器采用全帶寬測(cè)試。可以看到伴隨著PWM開關(guān)，在綠色的trace2有一個(gè)很高的噪音以及振鈴，但是trace3上卻沒有明顯的噪聲。通過對(duì)比可以看到，測(cè)試方法的選擇對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵。

下圖是采用20MHz帶寬限制測(cè)試到的電源的紋波以及噪聲。示波器20MHz的帶寬限制是為了防止無源探頭帶入的共模噪聲。可以看到AAT1121BUCK轉(zhuǎn)換器的紋波噪聲為10mVp-p，幾乎看不到開關(guān)噪聲。這主要是歸功于BUCK控制器的低噪聲設(shè)計(jì)，良好的PCB設(shè)計(jì)，以及恰當(dāng)?shù)臏y(cè)試方法。

總結(jié)

下面總結(jié)一下正確的測(cè)量DC/DC開關(guān)電源紋波和噪音的方法。

1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產(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(cè)量，盡量保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2)設(shè)置耦合方式為交流耦合，方便測(cè)量(以更小檔位來仔細(xì)觀測(cè)紋波，不關(guān)心直流電平)。

3)保證探頭接地盡量短(測(cè)量紋波動(dòng)輒上百mV的主要原因就是接地線太長(zhǎng))，盡量使用探頭自帶的原裝測(cè)試短針。如果沒有測(cè)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(zhǎng)度小于1cm。

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