教您如何正確地進行電源紋波的精確測量
2015-09-03
精確地測量電源紋波本身就是一門藝術。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤地使用了一臺示波器。他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針；他的第二個錯誤是將探針形成的環路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近；他的最后一個錯誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場，耦合自開關節點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。
利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來規定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長度，從而進一步減少拾波。
最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。
實際上，集成到系統中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統其他組件之間幾乎總是會存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個低通濾波器，進一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。
圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果
利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來規定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長度，從而進一步減少拾波。
最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。
圖 2 四個輕微的改動便極大地改善了測量結果
實際上，集成到系統中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統其他組件之間幾乎總是會存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個低通濾波器，進一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。
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