了解開關穩(wěn)壓器輸出偽像可加快電源設計

最小化開關穩(wěn)壓器的輸出紋波和瞬變非常重要，尤其是在為高分辨率ADC等噪聲敏感型器件供電時，其中輸出紋波可能表現(xiàn)為ADC輸出頻譜上的明顯雜散。為了避免降低信噪比（SNR）和無雜散動態(tài)范圍（SFDR），開關穩(wěn)壓器通常被低壓差穩(wěn)壓器（LDO）取代，從而犧牲開關穩(wěn)壓器的高效率，換取LDO更干凈的輸出。了解這些偽像將使設計人員能夠成功地將開關穩(wěn)壓器集成到更廣泛的高性能、噪聲敏感型應用中。

本文介紹測量開關穩(wěn)壓器中輸出紋波和開關瞬變的有效技術。測量這些偽影需要非常小心，因為設置不良會導致讀數(shù)不正確，示波器探頭的信號和接地引線形成的環(huán)路會引入寄生電感。這會增加與快速開關轉換相關的瞬變幅度，因此必須保持短連接、良好的技術和寬帶寬。此處，ADP2114雙通道2 A/單通道4 A同步降壓DC-DC轉換器用于演示測量輸出紋波和開關噪聲的技術。該降壓穩(wěn)壓器提供高效率，開關頻率高達2 MHz。

輸出紋波和開關瞬變

輸出紋波和開關瞬變取決于穩(wěn)壓器的拓撲結構以及外部元件的值和特性。輸出紋波是與穩(wěn)壓器的開關操作相干相關的殘余交流輸出電壓。其基頻與穩(wěn)壓器的開關頻率相同。開關瞬變是在開關轉換期間發(fā)生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示，由于高度依賴于測試設置，因此難以準確測量。圖1顯示了輸出紋波和開關瞬變的示例。

圖1.輸出紋波和開關瞬變。

輸出紋波考慮因素

穩(wěn)壓器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。小電感以較高的電流紋波為代價提供更快的瞬態(tài)響應，而大電感以較慢的瞬態(tài)響應為代價降低電流紋波。使用具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器可將輸出紋波降至最低。具有 X5R 或 X7R 電介質的陶瓷電容器是一個不錯的選擇。大電容通常用于降低輸出紋波，但輸出電容器的尺寸和數(shù)量是以成本和PCB面積為代價的。

頻域測量

在測量不需要的輸出信號偽像時，電源工程師考慮頻域很有用，因為這可以更好地了解輸出紋波及其諧波在每個相應功率電平下占用哪些離散頻率。圖2顯示了一個示例頻譜。此類信息可幫助工程師確定所選的開關穩(wěn)壓器是否適合其寬帶RF或高速轉換器應用。

要進行頻域測量，請在輸出電容器上連接一個 50 Ω的同軸電纜探頭。信號通過隔直電容，在頻譜分析儀的輸入端以 50 Ω端接結束。隔直電容可防止直流傳遞到頻譜分析儀，并避免直流負載效應。50 Ω傳輸環(huán)境最大限度地減少了高頻反射和駐波。

輸出電容是輸出紋波的主要來源，因此測量點應盡可能靠近。從信號尖端到地的環(huán)路應盡可能小，以盡量減少可能影響測量的額外電感。圖2顯示了頻域中的輸出紋波和諧波。在額定工作條件下，ADP2114在基頻下產生4 mV p-p輸出紋波。

圖2.使用頻譜分析儀繪制頻域圖。

時域測量

使用示波器探頭時，通過消除長接地引線來避免接地環(huán)路，因為由信號尖端和長接地引線形成的環(huán)路會產生額外的電感和更高的開關瞬變。

測量低電平輸出紋波時，請使用 1× 無源探頭或 50 Ω同軸電纜，而不是 10× 示波器探頭，因為 10× 探頭將信號衰減 10 倍，將低電平信號向下推至示波器本底噪聲。圖3顯示了一種次優(yōu)探測方法。圖4顯示了使用500 MHz帶寬設置測量的結果波形。高頻噪聲和瞬變是長接地引線形成的環(huán)路造成的測量偽影，并非開關穩(wěn)壓器固有的。

圖3.接地環(huán)路導致輸出錯誤。

圖4.開關節(jié)點 （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

有幾種方法可以降低雜散電感。一種方法是從標準示波器探頭上取下長接地引線，而是將探頭的桶體連接到接地參考。圖5顯示了尖端和桶法。然而，在這種情況下，尖端連接在穩(wěn)壓器輸出的錯誤點，而不是直接連接到輸出電容上。接地引線被移除，但印刷電路板上走線引起的電感仍然存在。圖6顯示了使用500 MHz帶寬設置時產生的波形。高頻噪聲較小，因為去除了長接地引線。

圖5.尖端和桶形方法探測切換器輸出的隨機點。

圖6.開關節(jié)點 （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

如圖7所示，使用接地線圈線直接探測輸出電容，可產生接近最佳的輸出紋波細節(jié)。開關轉換處的噪聲得到改善，PCB上的走線電感顯著降低。但是，低幅度信號輪廓仍然疊加在紋波上，如圖8所示。

圖7.使用線圈線接地探測輸出電容器的尖端和桶形方法。

圖8.開關節(jié)點 （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

最佳方法

探測開關穩(wěn)壓器輸出的最佳方法是在 50 Ω的環(huán)境中保持 50 Ω同軸電纜，并由示波器的可選 50 Ω輸入阻抗端接。放置在穩(wěn)壓器的輸出電容和示波器的輸入之間放置一個電容，用于阻擋直流流。電纜的另一端可以使用非常短的飛線直接焊接到輸出電容上，如圖9和圖10所示。這在寬帶寬上測量極低電平信號時保持了信號完整性。圖11顯示了使用500 MHz測量帶寬在輸出電容上探測的尖端和桶形方法和50 Ω同軸方法的比較。

圖9.最佳探測方法使用端接 50 Ω同軸電纜。

圖 10.最佳探測方法示例。

圖 11.開關節(jié)點（1）、尖端和桶法（3）和50 Ω同軸法（2）。

技術比較表明，即使在 500 MHz 帶寬下，50 Ω環(huán)境中的同軸電纜也能提供更準確的結果和更少的噪聲。將示波器帶寬更改為20 MHz可消除高頻噪聲，如圖12所示。ADP2114在時域中產生3.9 mV p-p的輸出紋波，這與頻域中采用20 MHz帶寬設置時4 mV p-p的測量值密切相關。

圖 12.開關節(jié)點 （1） 和輸出紋波 （2）。

測量開關瞬變

開關瞬變的能量較低，但頻率成分高于輸出紋波。這發(fā)生在開關轉換期間，通常被標準化為包括紋波在內的峰峰值。圖13顯示了在500 MHz帶寬內使用具有長接地引線和50 Ω同軸端接的標準示波器探頭測量的開關瞬變的比較。通常，由于接地引線較長，接地環(huán)路產生的開關瞬變比預期要大。

圖 13.開關節(jié)點 （1）、標準示波器探頭 （3） 和 50 Ω同軸端接 （2）。

結論

在設計和優(yōu)化低噪聲、高性能轉換器的系統(tǒng)電源時，必須考慮輸出紋波和開關瞬態(tài)測量技術。這些測量技術可在時域和頻域中提供準確、可重復的結果。在寬頻率范圍內測量低電平信號時，保持 50 Ω環(huán)境非常重要。一種簡單、低成本的方法是使用端接正確的 50 Ω同軸電纜。該方法可用于各種開關穩(wěn)壓器拓撲。

審核編輯：郭婷