測量DC/DC開關電源紋波和噪音的方法

隨著開關頻率和開關速度不斷的提升，在使用開關型的DC/DC電源的時候，要特別關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行業標準。不同廠家的測試環境以及測試標準都不太一樣，導致很多人很迷惑。這篇文章提供了一個簡單可靠的電源紋波的測試方法，這種測試方法的可復現性很好，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型DC/DC轉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壓器(LDO)。

紋波和噪聲Ripple and Noise

紋波和噪聲指的是在DC/DC轉換器輸入輸出電容上的交流耦合信號，在測試中，一般我們會將這個信號帶寬限制到20MHz。 紋波和噪聲主要由以下四項組成。

電源紋波(PWM frequency RIPPLE)，和PWM頻率相同的。這個紋波表示了輸入和輸出電容上的充放電過程，在最大負載時，這個紋波達到最大值。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。

開關噪聲(SWITCHING NOISE)，這種噪聲發生在電源的開關時刻。雖然開關噪聲的重復周期和PWM頻率一致，但是振蕩頻率一般都很高。開關噪聲新的振幅一般取決于電源芯片、電路寄生參數以及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。

非周期性的隨機噪聲(NOISE)，和AC電源開關頻率均無關。

由于現在AC-DC部分大多采用模塊開關電源，后級DC/DC電路工頻噪聲比較小;隨機噪聲無法量化。所以一般不考慮這兩項的影響，典型的開關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噪聲之和。

接下來描述了在錯誤以及正確測量電源紋波噪聲的兩種方式。 下圖是一個錯誤的測量方式，因為示波器的地線會拾取輻射噪聲。示波器的地線和信號探頭形成的環路形成了一個天線。環路面積越大，在電源PWM切換時，示波器接受到的開關噪聲就越大。

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接地環來測量電源紋波以及噪聲。為了進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路面積很小，所以測量中帶來誤差的噪聲幾乎可以忽略。

因為現在的示波器探頭都附帶有接地環，所以，不再詳細描述如何做一個接地環了。

1、無源探頭DC耦合測試

使用無源探頭DC耦合測試，示波器內部設置為DC耦合，耦合阻抗為1Mohm，此時無源探頭的地線接主板地，信號線接待測電源信號。這種測量方法可以測到除DC以外的電源噪聲紋波。

如圖4所示，當采用普通的鱷魚夾探頭時，由于地和待測信號之間的環路太大，而探頭探測點靠近高速運行的IC芯片，近場輻射較大，會有很多EMI噪聲輻射到探頭回路中，使測試的數據不準確。為了改善這種情況，推薦用無源探頭測試紋波時，使用右圖中的探頭，將地信號纏繞在信號引腳上，相當于在地和信號之間存在一個環路電感，對高頻信號相當于高阻，有效抑制由于輻射產生的高頻噪聲。更多時候，建議測試者采用第三種測試方法，將一個漆包線繞在探頭上，然后將漆包線的焊接到主板地網絡上，移動探頭去測試每一路電源紋波噪聲。同時無源探頭要求盡量采用1:1的探頭，杜絕使用1:10的探頭。

無源探頭地線兩種處理方法：

對于示波器，若垂直刻度為xV/div，示波器垂直方向為10div，滿量程為10xV，示波器采樣AD為8位，則量化誤差為10x/256 V。例如一個1V電源，噪聲紋波為50mV，如果要顯示這個信號，需要設置垂直刻度為200mV/div，此時量化誤差為7.8mV，如果把直流1V通過offset去掉，只顯示紋波噪聲信號，垂直刻度設置為10mV即可，此時的量化誤差為0.4mV。

使用無源探頭DC耦合測試，示波器設置如下：

(1)1Mohm端接匹配;(2)DC耦合;(3)全帶寬;(4)offset設置為電源電壓;

2、無源探頭AC耦合測試

使用無源探頭DC耦合需要設置offset，對于電源電壓不穩定的情況，offset設置不合理，會導致屏幕上顯示的信號超出量程，此時選擇AC耦合，使用內置的擱置電路來濾去直流分量。對于大多數的示波器，會有如下參數，設置為AC耦合，此時測量的為10Hz以上的噪聲紋波。

示波器兩種耦合方式頻點

使用無源探頭AC耦合測試，設置如下：

(1)1Mohm端接匹配;(2)AC耦合;(3)全帶寬;(4)offset設置為0;

3、 同軸線外部隔直電容DC50歐耦合測試

由于無源探頭的帶寬較低，而電源開關噪聲一般都在百MHz以上，同時電源內阻一般在幾百毫歐以內，選擇高阻1Mohm的無源探頭對于高頻會產生反射現象，因此可以選擇用同軸線來代替無源探頭，此時示波器端接阻抗設置為50歐，與同軸線阻抗相匹配，根據傳輸線理論，電源噪聲沒有反射，此時認為測量結果最準確。

利用同軸線的測量方法，最準確的是采用DC50歐，但是大部分示波器在DC50歐時offset最大電壓為1V，無法滿足大部分電源的測量要求，而示波器內部端接阻抗為50歐時，不支持AC耦合，因此需要外置一個AC電容，如圖6所示，當串聯電容值為10uF時，根據表1可以看到，此時可以準確測試到2KHz以上的紋波噪聲信號。

同軸線DC50測量圖

4、同軸線AC1M歐耦合測試

由于從PMU出來的電源紋波噪聲大多集中在1MHz以內，如果采用同軸線DC50外置隔直電容測量方法，低頻噪聲分量損失較為嚴重，因此改用圖7所示的測量方法，利用同軸線傳輸信號，示波器設置為AC1M，這樣雖然存在反射，但是反射信號經過較長CABLE線折返傳輸后，影響是有限的，示波器在R2上采集電壓值可以認為仍然可以被參考。

同軸線AC1M測量圖

為了避免反射，在同軸線接到示波器的接口處端接一個50ohm電阻，使示波器輸入阻抗和cable線特征阻抗匹配。

同軸線AC1M測量改進圖

5、差分探頭外置電容DC耦合測試

由于示波器的探頭地和機殼地通過一個小電容接在一起，而示波器的機殼地又通過三角插頭和大地接在一起，在實驗室里，幾乎所有的設備地都和大地接在一起，示波器內部地線接法如圖9所示，因此上面介紹的兩種方法都無法解決地干擾問題，為了解決這個問題，需要引入浮地示波器或者差分探頭。

示波器內部地線接法

如圖10所示，為差分接法，由于差分探頭為有源探頭，外置差動放大器，可以將待測信號通過差分方式接入，使示波器的地和待測件地隔離開，達到浮地效果。但是差分探頭在示波器內部只能DC50歐耦合，而offset最大一般不超過1V，因此需要在差分探頭上串聯隔直電容。使用差分探頭測量時關鍵是探頭的CMRR要足夠大，這樣才能有效抑制共模噪聲。 實測案例(Example)

下圖描述了采用兩個不同的測試方法得到的Vout波形。電源電路是一個BUCK轉換電路(AAT1121)，工作在1.5MHz的開關頻率，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，在綠色的trace2有一個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果的準確性很關鍵。

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?？梢钥吹紸AT1121BUCK轉換器的紋波噪聲為10mVp-p，幾乎看不到開關噪聲。這主要是歸功于BUCK控制器的低噪聲設計，良好的PCB設計，以及恰當的測試方法。

總結

下面總結一下正確的測量DC/DC開關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，高端產品還有200MHz帶寬限制的選擇)，目的是避免數字電路的高頻噪聲影響紋波測量，盡量保證測量的準確性。 2)設置耦合方式為交流耦合，方便測量(以更小檔位來仔細觀測紋波，不關心直流電平)。

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。

原文標題：超硬干貨!紋波和噪聲測試[20220418]

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審核編輯：湯梓紅