测量电源纹波的方法解密

电源

所谓纹波电压，是指输出电压中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。经过稳压作用，可以使整流滤波后的纹波电压大大降低，降低的倍数反比于稳压系数S 。测量电源纹波可以先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可)，同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

相关名词定义：

1．最大纹波电压：在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。
2．纹波系数：在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，既y=Umrs/Uo x100%
3．纹波电压抑制比：在规定的纹波频率（例如50HZ）下，输入电压中的纹波电压Ui~与输出电压中的纹波电压Uo~之比，即：纹波电压抑制比=Ui~/Uo~ 。
这里声明一下：噪声不同于纹波。纹波是出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的0.5%以下；噪声是出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的1%左右。纹波噪声是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在输出电压的2%以下

如何使用示波器测量电源纹波？

答：可以先用示波器将波形整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量)，同时还利用示波器的FFT功能从频域分析。

通常若不太清楚被测对象细节(幅值，频率等)的情况下，可使用”AutoScale”按钮，观察到信号的大概，再调整水平控制旋钮和垂直控制旋钮，以得到最佳的显示(如，幅值尽量满屏显示)，再用Zoom功能将波形作满平放大显示，测电源纹波时，可将纹波部分用Zoom功能放大来分析；另外，可能会考虑从频域角度分析电源，观察其谐波和杂波情况，为此，可让示波器显示尽量多个周期信号，将示波器的存储深度仅可能用到最大，采样率设置成适当的数值，以保证波形不失真，这样得到的频率分辨率为采样率除以当前存储深度设置，观察各次谐波及其与基波的幅度差。另外，若使用matlab软件，可利用MatLab软件的强大功能对捕获的信号数据进行更加深入的分析。546xx、548xx都标准配置有和计算机相连的软件，直接将数据取到计算机中，以进一步分析，当然，也可将Matlab软件直接装到548xx中。

若已经知道电路的参数,可直接调整示波器设置，让其工作在合适的采样率和垂直刻度下。

开关电源输出电压的纹波是一个重要的指标，如何正确使用示波器来测量这个指标？

答：纹波的定义是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号，英文称为

分析如何准确测量电源纹波

测量电源纹波本身有一定技巧性。图1给出了一个不当使用示波器测量电源纹波的实例。在这个例子中出现了几个错误，首先是使用了接地线很长的示波器探针；其二是让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件；最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

在电源中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形，其中包括来自功率变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由变压器交绕(interwinding)电容产生的共模电流。

　
图1：不当的纹波测量得到糟糕的结果。

采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先，通常会规定纹波的带宽上限，以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声，应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。其次，可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。如图2所示，我们把一段短线绕在探针接地引线周围，并使之与电源地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度，从而进一步减少高频拾取。

最后，在隔离电源中，真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的，这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。要抑制这个纹波，需要在电源设计中仔细考虑共模滤波问题。

此外，把把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流，因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图2显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果。可以看到，高频尖刺已几乎消除。

]

图2：四种简单改进极大地改善了测量结果。

事实上，当电源集成到系统中之后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其它部分之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的，而在芯片附近总会有作为电源负载的附加旁路电容，这两者形成低通滤波效应并进一步降低电源纹波和/或高频噪声。

举一个极端的例子，由电感量为15nH的长一英寸的短线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器，其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比电源纹波频率低很多倍，可以切实降低纹波。聪明的工程师应该在测试过程中设法利用它。

DC/DC模块的电源纹波测量

DC/DC模块的电源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。为确定电源的质量，必须对DC/DC模块的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值动辄上百mV，甚至几百mV，远远比器件手册提供的最大纹波值大，这主要是测量方法的不正确造成的。

1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz，高端产品还有200MHz带宽限制的选择)，目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量，尽量保证测量的准确性。

2)设置耦合方式为交流耦合，方便测量(以更小档位来仔细观测纹波，不关心直流电平).

3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长)，尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针，可以拆除探头的接地线和外壳，露出探头地壳，自制接地线缠绕在探头地壳上，保证接地线长度小于1cm。

4)示波器地悬空，只通过探头地与测试信号的参考点共地，不要通过其他方式与测试设备共地，这样会给纹波测量引入很大的地噪声。例如：当示波器和其他仪器共插线板时，其他仪器的开关可能通过接地线给测试带来噪声干扰。

其中第3条是关键中的关键。接地线过长，其电感效应将给测量系统引入额外的噪声，如下图所示。

示波器参数要求：支持带宽限制功能：一般示波器都支持20MHz带宽限制，如：SDS1102CM。

探头要求：为了使接地线尽量短，尽量使用探头的原装测试短针，若无原装测试短针，则须自制短接地线：去除探头接地线套，用金属丝自行绕制接地短线，推荐五类线中铜丝，强度适中(还是有些偏软，有更好的请推荐)。其他候选有焊锡丝、刻刀。选择1X无衰减档位，一般无源探头在1X档位时，其带宽限制在6MHz/10MHz带宽，如此在前端可有效滤除高频噪声的干扰，减小纹波测量影响。

真正的纹波应该是什么样子？以下各图可以让大家对纹波的相貌大概有个感性认识。被测DC/DC模块输出3.3V与1.9V两路电压。

贾飞世 · 2018-12-27 21:34:14

首先，探头要打到1X档位，也就是不衰减。
有两点好处： 1，1X时探头带宽不是标称的带宽（10X下才是），一般只有6-10MHz的带宽可以有效过滤高频噪声
2，10X时探头对小信号衰减10倍，而对噪声又没有衰减，信噪比降低，噪声对信号的干扰更大了，所以选用1X档位
其次，探头一定要接地，不接地噪声干扰太大，甚至会完全失真。接地线越短越好，最好不要用标配的鳄鱼夹线，用来测纹波还是太长，用探头零件包中的弹簧针。
然后，将示波器的通道输入耦合打到交流耦合，滤除直流分量。
最后，数字示波器都有带宽限制功能，可以把示波器带宽限制在20MHz，可以有效滤除噪声。有的数字示波器是有数字滤波功能的，选用低通滤波也可以很好的改善所观察的波形。

贾伟刚 · 2018-12-27 21:35:51

这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得纹波噪声的测试结果大大改善。一般来说，影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个：

1、前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。

2、探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用1:1衰减比的探头。

3、带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波噪声测试场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。

4、测量量程：通常会在小量程档下(比如10mv/格或20mv/格)进行电源纹波的测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的AC耦合功能把直流隔离掉再进行纹波噪声测试。

5、输入阻抗：很多示波器有50欧姆和1M欧姆的输入阻抗选择，通常50欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到1M欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为50欧姆输入阻抗。

在进行实际测试之前，一个比较好的习惯是先检查一下当前使用的设备和设置下的系统的底噪声。下面图中的5个波形分别是使用500M的S系列示波器在使用不同的探头和带宽设置下的底噪声结果。波形从上到下依次为：50欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽;1M欧姆输入阻抗，1:1探头，20MHz带宽;1M欧姆输入阻抗，1:1探头，500MHz带宽;1M欧姆输入阻抗，10:1探头，20MHz带宽;1M欧姆输入阻抗，10:1探头，500MHz带宽。其底噪声的峰峰值从不到1mV直到接近30mV，可见测试中探头、带宽、输入阻抗设置的重要性。

如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以参考下图用50欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为50欧姆输入阻抗;电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。

王栋春 · 2018-12-27 22:12:19

感谢楼主分享不过图片挂了

王洁民 · 2018-12-28 08:55:44

好文章，谢谢楼主的分享

搜索历史

测量电源纹波的方法解密

相关推荐

4 条评论

评论

精选推荐

热门帖

站长推荐 /6