紋波和噪聲測試很煩人？解決DC/DC開關(guān)電源測試只需一招

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)。不同廠家的測試環(huán)境以及測試標(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)簡單可靠的電源紋波的測試方法，這種測試方法的可復(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，在測試中，一般我們會將這個(gè)信號帶寬限制到 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。對于半波整流，50Hz；對于全波整流，是 100Hz；對于三相全波整流，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 DC/DC 電路工頻噪聲比較?。浑S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)誤以及正確測量電源紋波噪聲的兩種方式。

下圖是一個(gè)錯(cuò)誤的測量方式，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€會拾取輻射噪聲。示波器的地線和信號探頭形成的環(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。

在測量中，如何減小拾取的輻射噪聲？最簡單可靠的方法是采用一個(gè)接地環(huán)來測量電源紋波以及噪聲。為了進(jìn)一步的降低測試誤差，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，在信號探頭和地線之間的環(huán)路面積很小，所以測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)測案例（Example）

下圖描述了采用兩個(gè)不同的測試方法得到的 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試?？梢钥吹桨殡S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。通過對比可以看到，測試方法的選擇對結(jié)果的準(zhǔn)確性很關(guān)鍵。

下圖是采用 20MHz 帶寬限制測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試方法。

總結(jié)

下面總結(jié)一下正確的測量 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量，盡量保證測量的準(zhǔn)確性。

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

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

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