電源紋波的產(chǎn)生與測(cè)試

電源紋波是電源設(shè)計(jì)中常見的考量參數(shù)，也是電力工程師常見的測(cè)試項(xiàng)目。本文將討論電源紋波的產(chǎn)生以及測(cè)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(xì)描述各種類型的電源紋波。

來自開關(guān)電源的開關(guān)紋波

首先以降壓（buck）電路為例進(jìn)行說明。降壓電路的開關(guān)器件以特定頻率導(dǎo)通或關(guān)斷。當(dāng)器件開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生與開關(guān)周期一致的開關(guān)紋波。開關(guān)紋波的頻率范圍通常為幾十 kHz 至幾 MHz （參見圖 1）。

圖1: 降壓電路中產(chǎn)生的開關(guān)紋波

來自開關(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)際中的開關(guān)電源還會(huì)隨著開關(guān)管的導(dǎo)通和截止瞬間產(chǎn)生高頻開關(guān)噪聲（參見圖2）。開關(guān)噪聲的頻率高于開關(guān)頻率；其幅值與寄生參數(shù)和 PCB 布局有較大關(guān)聯(lián)。

圖 2：實(shí)際開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲

負(fù)載變化引入的紋波

在某些應(yīng)用場(chǎng)景中，負(fù)載電流會(huì)快速變化。電流的劇烈變化會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng)（參見圖 3）。

圖3: 負(fù)載跳變引起的輸出電壓波動(dòng)

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

測(cè)量電源紋波

示波器是測(cè)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(nèi)工作的示波器。例如，要測(cè)量500mHz 的紋波，就不能使用 100mHz 示波器來測(cè)試并生成數(shù)據(jù)。

探頭類型: 常見的探頭類型包括電壓探頭、同軸電纜和差分探頭（見圖4）。

圖4: 常見探頭類型

下面將重點(diǎn)介紹如何通過電壓探頭和同軸電纜進(jìn)行測(cè)試。

電壓探頭必須經(jīng)過事先校準(zhǔn)。無衰減 1倍探頭的輸入阻抗可以忽略。當(dāng)示波器內(nèi)部阻抗為1MΩ時(shí)，總輸入阻抗也為1MΩ（參見圖 5 ）。

圖5: 1倍探頭的阻抗特性

高阻抗 10倍探頭的輸入阻抗為 9MΩ，當(dāng)示波器內(nèi)部輸入阻抗為 1MΩ時(shí)，總輸入阻抗為 10MΩ（參見圖 6 ）。如果采用 10 倍探頭，信號(hào)通過阻抗匹配后有 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(hào)，用1倍探頭無需阻抗匹配，信號(hào)沒有失真，會(huì)更加適合。

圖6: 10倍探頭的阻抗特性

測(cè)試方法也同樣重要。示波器探頭的地線就相當(dāng)于一個(gè)小電感，它產(chǎn)生的失真振鈴將會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。通常我們建議采用最小環(huán)法進(jìn)行測(cè)試。如果無法使用示波器的最小環(huán)，也可以用焊錫絲代替。測(cè)試時(shí)，探頭應(yīng)直接放在電容兩端，以盡量減小測(cè)試電路（參見圖7）。對(duì)于開關(guān)紋波測(cè)試，建議將示波器的帶寬限制在 20mHz，以盡量降低測(cè)試技術(shù)和探頭的影響。

圖7: 直接放置在電容兩端的探頭

我們還建議測(cè)試開關(guān)紋波的累積值，用以驗(yàn)證電源的穩(wěn)定性，并確保無振蕩。有些負(fù)載對(duì)高頻噪聲有特殊的要求，需要在全帶寬范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。一般推薦使用同軸電纜進(jìn)行測(cè)試。因?yàn)橄啾韧S電纜，最小環(huán)測(cè)試的接地阻抗和測(cè)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(fù)端可以產(chǎn)生更真實(shí)的波形（參見圖8）。

圖 8：將同軸電纜焊接到輸出電容的正負(fù)端

對(duì)于需要在更高和更低溫度下測(cè)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(shè)備放在一起，尤其是放在高溫或低溫箱中時(shí)，不會(huì)因纜線過長而導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果失真。

結(jié)論

本文中回顧了測(cè)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(cè)試。對(duì)于要求嚴(yán)苛的開關(guān)模式設(shè)計(jì)、一般開關(guān)紋波應(yīng)用以及需要在全帶寬范圍內(nèi)提供適當(dāng)紋波值的應(yīng)用來說，電源紋波的產(chǎn)生與測(cè)試至關(guān)重要。

審核編輯：湯梓紅