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[讨论] 【干货】电源电压纹波测试之打狗棒法和理论秘笈
2019-9-21 11:03:56  940 开关电源 纹波测试 电压纹波 电源电压
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张飞┃30天精通反激开关电源设计线上训练营,包教包会!!!


开关电源应用中,输出电压纹波看起来是小菜一碟,但实际操作中测试结果的真实性,一致性,经常困扰攻城狮。

而且知其然,更要知其所以然。

Chipown攻城狮将手把手教你每个纹波测试技法,剖析背后的理论支撑。


背景
出场人物:
1、客户小A(测试攻城狮,软件工程出身,对电源了解不多);
2、芯朋老司机小M。

测试方案:
芯朋PN8034C 12V0.3A非隔离方案,原理图如下:
1.png


1
2019-9-21 11:03:56   评论 分享淘帖
15 个讨论
打狗棒法第一式

攻城狮小A:
测试板收到了,为啥纹波这么大?

芯朋老司机小M:
有多大?发个图来看下!

攻城狮小A:
1.png

芯朋老司机小M:
这个。。。是有点大,不过,有点不对啊!
带宽设置有问题,要20MHz限制啊,下面这个圈起来的位置,您限制带宽,再看看区别。
1.png
攻城狮小A:
测完了,真的降了好多!
1.png
示波器带宽20MHz,输出电压纹波376mV



武功秘笈之划重点:带宽选择

我们先了解什么是示波器带宽:输入信号衰减 3 dB 所在的最低频率称为示波器的带宽。
1.png

从示波器带宽的定义和上图可以看出,在示波器设置带宽之外的信号,是急剧衰减的。这个可以回答“设置20MHz带宽限制后,测试纹波明显下降”这个现象,20MHz后的信号迅速衰减,所以测试到的信号幅度下降;
示波器中的“20MHz带宽限制”这个选项,是不是满足我们的测试需求?理解测试带宽的选择,我们还需要介绍一个原理:奈奎斯特采样定理:
在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax),采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息
实际应用中考虑到示波器抗混叠滤波器设计指标,在模拟应用中一般取采样频率为信号最高频率的3~5倍时,才能获得完整的原始信号信息。
一般AC-DC的开关频率都在200KHz以内,DC-DC在3MHz以内,频率都不高;  但开关电源中,开关电源中信号变化最快的是开关管的上升时间,而非开关频率,所以开关电源纹波测量的带宽取决于开关管的上升时间,对于泰克高频示波器,其上升时间Tr=0.35/BW(MHz),所以,20MHz带宽对应的上升时间是17.5nS;而对于大多数开关管,其上升时间都在100nS的级别,所以这种情况下20MHz是满足5倍被测量信号最高频率的;

小结:信噪比足够大+满足信号测量精度都满足的前提下,选择的带宽才是合适的,20MHz就是大多数情况下开关电源纹波信噪比的最佳选择点(之所以是大多数情况,是因为有特殊情况,比如测试采用新型coolmos作为功率器件的电源时,20MHz就显得小了,需要扩展到300MHz以上)。


敬请期待...

打狗棒法第2式 :武功秘笈之划重点: 探头的选择
打狗棒法第3式: 武功秘笈之划重点 测量位置和接地方式的选择
打狗棒法第4式 :武功秘笈之划重点 输出端并联瓷片电容和电解电容



2019-9-21 11:14:26 评论

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谢谢楼主的分享
2019-9-21 15:47:49 评论

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评论多就上:打狗棒法第2式 ~~
2019-9-21 19:48:29 评论

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继续期待楼主分享
2019-9-21 22:00:30 评论

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谢谢楼主,学习了
2019-9-22 00:58:33 评论

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谢谢楼主,学习了
2019-9-22 00:58:59 评论

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谢谢楼主的分享
2019-9-22 17:38:44 评论

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打狗棒法第二式



芯朋老司机小M
嗯,现在是376mV了,不过还是有点大,麻烦把示波器型号和探头拍个照片给在下看看!

攻城狮小A
示波器型号Tektronix MDO3014  100MHz2.5GS/S
1.png
示波器探棒:无源探头衰减比10:1
芯朋老司机小M
额,探头比例也有点问题,请拨到“1X”档!
攻城狮小A
我试试看!
攻城狮小A
果然,从372mV降到272mV了,真神奇。。。

1.png

武功秘笈之划重点: 探头的选择

示波器的输入阻抗和探头的阻抗构成了一条衰减器电路,示波器会自动检测探头的衰减比并重新调整示波器的垂直量程设置,以反应出探头的衰减

需要特别注意的是:信号被衰减,但噪声不会被衰减;示波器内软件将衰减的信号放大N倍(N为探头衰减比),同时噪声也放大N倍。
举例:假设示波器底噪是2mV,我们要测试一个实际为50mV的纹波。
采用1:1的探头,测试到的纹波就是2mV(底噪放大一倍)+50mV(实际)=52mV;
采用10:1的探头,测试到的纹波就是2mV*10(底噪放大10倍)+50mV(实际)=70mV;
采用100:1的探头,测试到的纹波就是2mV*100(底噪放大100倍)+50mV(实际)=250mV;

可以看出,采用100:1的探头测试50mV级别的纹波,结果已经是严重偏离实际情况了。





2019-9-23 16:52:07 1 评论

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1 条评论
谢谢楼主,学习了
2019-9-24 10:30:03 评论

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打狗棒法第3式: 武功秘笈之划重点 测量位置和接地方式的选择


芯朋老司机小M
应该还可以往下挖潜力,您再把测试的全图拍个照来!
攻城狮小A
1.png
芯朋老司机小M
我们继续,把示波器的探头夹到线路板上的输出端,把接地环换掉地线端子!
攻城狮小A
接地环得找找,我先换到板端看看!
攻城狮小A
果然,又降了!神奇!
1.png
攻城狮小A
还能继续吗?
芯朋老司机小M
能,换接地环!
攻城狮小A
我去找,等会儿~
攻城狮小A
是这样吧?
1.png
芯朋老司机小M
是的,效果怎么样?
攻城狮小A
192mV,200mV以内了,老司机可以啊

1.png

武功秘笈之划重点
测量位置和接地方式的选择


开关电源中,随着开关管的动作,会通过电磁干扰产生辐射,而这部分辐射就会被接地夹线与探头形成的线圈给接收到,这部分信号对测量的干扰是不能忽略的,如下图所示。
1.png
减小测试回路面积可以有效改善测试质量,这就是采用测试端直接接在线路板上和测试接头采用接地弹簧(接地环)后测试纹波可以下降的原因。

2019-9-28 11:44:19 评论

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第4式要不要上呢?请回复
2019-9-30 10:39:03 评论

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学习学习了,谢谢楼主
打狗棒法第四式


芯朋老司机小M
一般家电用,这样测就可以了。
实际纹波还要小,可以在测试端加一个10uF电解和0.1uF瓷片,用电子负载的时候都会这样。



攻城狮小A
那我得试一下,这样吧?
1.png
芯朋老司机小M
是滴!
攻城狮小A
只有104mV! 牛了!
1.png
芯朋老司机小M
是的,您看,测试方法对纹波的影响是非常大的!


攻城狮小A
嗯,还得多学习啊,这次谢谢了


芯朋老司机小M
共同进步~


武功秘笈之划重点
输出端并联瓷片电容和电解电容
主要是滤除开关噪声及高频干扰,避免噪声与真正的纹波叠加在一起,干扰测试结果真实性。



大总结

我们回顾下攻城狮小A和芯朋老司机小M关于220V输入,PN8034C 12V0.3A输出的测试过程和结果:
1.png
同一电源只要通过以下5点调整测试方法,输出电压纹波即可得到改善:
  • 示波器宽带限制20MHZ;
  • 示波器探头位置在电源板端(针对家电或者工业控制等控制板,适配器测试应该是放在输出线端);
  • 示波器探头衰减比尽量选择 1:1,没有1:1探头的条件下用10:1;
  • 示波器探头地线使用接地环(如果没有接地环,可以将地线缠绕在探头正级上);
  • 输出端并联100nF/50V ,10uF/50V(按实际输出电压选择)。

感谢楼主分享!

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