单板电源设计-电源纹波测量

开关电源纹波的正确测量方法

原创已于 2024-11-05 21:52:08 修改 · 2.1k 阅读

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#硬件工程

于 2024-11-04 22:56:38 首次发布

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前言

开关电源的纹波指标是一项很重要的参数。干净的电源是数字电路稳定工作的前提，也是模拟器件的各项参数的重要保障。

为了确定我们的电源干净，必须对电源的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值往往和期望出入很大，表现在纹波淹没在噪声中、纹波频率与电源开关频率不符、纹波上叠加了其它干扰等，这主要是测量方法的不正确造成的。

一、什么是纹波

纹波是开关电源的纹波电流在输出电容上形成的电压变化。以降压型拓扑（Buck）为例，其输出电压纹波计算公式为：
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其中：

△Vo是纹波电压
△IL是纹波电流
Ts是开关周期
Co是输出电容的大小，ESR是输出电容的等效串联电阻

用示波器测量到的纹波波形示例如下图：
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二、正确的纹波测量方法

1.短地线

原则就是尽量减小示波器探头地线的长度。一般可选择探头自带的接地环：
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使用短地线的原因有二：

降低地线电感引入的谐振效应

探头地线过长，其等效电感会给测量的波形引入不期望的振荡。这种振荡会给原始信号带来跳变沿的畸变，并且会引入类似于阻抗不匹配导致的振铃。
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上图中的探头地线，等效电感可达200nH。
图中Rs，L1和C构成的环路形成了一个RLC振荡电路，其谐振频率（假设L1的感值为L）：

其Q值：

被测电路的输出阻抗越低，Q值越高，引入的谐振越明显：
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下图是不同长度的地线引入的谐振示例：
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降低探头因互感效应感应到噪声和干扰

我们知道，放在变化磁通量中的导体，会产生电动势。此电动势称为感应电动势或感生电动势，若将此导体闭合成一回路，则该电动势会驱使电子流动，形成感应电流（感生电流）。法拉第发现产生在闭合回路上的电动势和通过任何该路径所包围的曲面的磁通量的变化率成正比，称为法拉第电磁感应。

互感效应实际上是法拉第电磁感应的一种描述方式。互感即为磁通量变化的一种表现形式，感应电动势对应干扰电压。互感存在于任意两条回路之间。两条回路距离越近、耦合越紧，互感越大；互感的大小也和两个回路的相对空间方向（平行度、投影重合度等）高度相关。
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探头环路也会通过互感从周边环路感应噪声，如下图。使用短地线可有效降低探头的回路面积，减小干扰回路产生的磁通量穿过探头回路的占比，从而减小干扰。
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2.限制示波器带宽

纹波属于低频噪声，其基频与电源的开关频率相等，考虑到谐波，用示波器的20MHz带宽限制也足够覆盖。因此如果不关注开关的尖峰噪声等高频分量，应该将示波器的带宽限制打开，可以滤除很多纹波以外的噪声，确保测量结果准确。

3.设置示波器的耦合方式为AC耦合

纹波属于电源输出上的交流成分，纹波测量时不必关注直流量，因此可将示波器的耦合方式为AC耦合。好处是此时可以将示波器的垂直档位设置为灵敏度较高的小档位，最大化信噪比，最小化示波器底噪对纹波测量的影响。

对于电源输出电平的测量，这里也强调一下：一般用万用表，而不是示波器。最普通的万用表的直流测量精度可以做到1‰以内，而一般的8-bit示波器的直流测量精度在3%附近，用万用表的测量精度要好一个数量级。

4.设置探头的衰减比例为1x

大部分的无源探头具备1x和10x两个档位。1x档位寄生电容较大（一般为数十pF）、带宽较小（一般为十几MHz~几十MHz）；10x档位寄生电容较小（一般为十几pF）、带宽较高（最高可以做到500MHz左右）。

一般硬件测试情况下为了尽可能保留信号的高频成分，会选择高带宽的10x档位；但对于纹波测量应用来说，一方面1x档位较小的带宽和较大的寄生电容反而有利于滤除纹波以外的噪声和干扰，另一方面10x档位会将信号衰减10倍后再输入示波器，在示波器底噪不变的情况下，测量信噪比会恶化10倍（20dB）。因此，我们应该尽可能使用1x档位的探头衰减比来测试纹波。

5.必要时将测试环境与大地隔离

在电源地、示波器的地都连接到大地的情况下，测量系统中存在较复杂的地回路，可能存在从地上引入测量噪声的可能性。如果条件允许，可以设法将测量系统的地和大地隔离，确保示波器的地和被测电源地仅通过探头的地线连接。

关于示波器的地隔离，最简易的方法是将其供电线上的地脚剪掉，强制使示波器的机壳和大地断开。但这种做法存在一些隐患：一方面由于火线对机壳漏电流的存在，会使机壳在浮地时带电；另一方面如果探头地连接的是高压信号，也会使示波器机壳带高压电，对测试人员的人身安全造成威胁，同时也存在烧坏测试设备的隐患。比较安全的做法时使用隔离变压器来做地隔离，或者使用电池供电的示波器:
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6. 必要时使用高分辨率示波器

目前市场上在用的示波器大多数为8-bit，分辨率为ADC满幅度的1/256。但现在的新示波器研发趋势是在往10-bit、12-bit等高分辨率发展，最新发布的Keysight HD3系列已经标称14-bit。以12-bit示波器为例，其分辨率为ADC满幅度的1/4096，能更好地还原波形细节。更重要的是，高分辨率示波器为了匹配其ADC量化精度，一般会在前端底噪上进行优化，因此在信噪比指标上比一般的8-bit示波器更好，有利于纹波测量。