电源波纹测量要小心示波器探头的接地环路

对某些应用而言,最大限度地降低输出纹波和开关瞬变是非常重要的,尤其是像高分辨率ADC这样的噪声敏感型器件。将开关稳压器用作电源时,输出纹波会在ADC输出频谱上表现为独特的尖峰,从而影响其动态性能或信噪比和无杂散动态范围(SFDR)。考虑到这些不必要的输出信号,有时会用低压差(LDO)稳压器代替开关稳压器。因此会舍弃开关稳压器的高效率优势,改为获取LDO稳压器更干净的输出。像在Hi-Fi高保真音响系统中,老wu一耳朵就能听出功放电源电路用的是LDO稳压器还是DC-DC开关稳压器,外部输入的是太阳能发电的电源还是火力发电的电源。🙃

LDO输出虽然更为干净,但在大电流追求高的电源转换效率的系统中,我们还是会选择DC-DC开关式转换器,既要追求高的电源转换效率,又对噪声敏感,正确地测量量化开关稳压器中的输出纹波和开关瞬变显得尤为重要。

测量这些参数需要非常仔细,因为测量设置不佳会导致读数有误。由示波器探头信号和接地引线形成的环路会引入寄生电感。这样就会不准确地提高与快速开关转换相关的开关瞬变幅度。因此,必须在广泛的宽带宽测量中保证合理的连接和良好的测量方法。

输出纹波和开关瞬变

输出纹波和开关瞬变是开关稳压器输出中的两种不希望出现的信号。这些信号取决于稳压器的拓扑结构以及所用外部元件的值和特征。

输出纹波是残余的交流输出电压,与开关稳压器的开关操作密切相关。其基频与稳压器的开关频率相同。

开关瞬变是在开关转换过程中发生的高频振荡。其幅度表示为最大峰峰值。通常,因为它高度依赖于测试设置,所以很难准确测量。

在测量输出纹波时,不同的测量方法收集到干扰的噪声不同,测量结果掩盖在噪声中,影响了对电源转换器性能的评估。上图显示了噪声分量叠加在实际输出纹波上,导致测量输出纹波大于实际输出纹波。这在使用常规测量方法时是很常见的,直接将普通的无源示波器探头连接到输出端子上。

常规的连接方式测量无法准确获得电源转换器的电压纹波,因为较长的地线和顶部的探头钩子可形成环形天线,收集周围环境的电磁噪声。将噪声叠加在输出电压纹波上,使测量结果不准确。为了获得实际的输出电压纹波,在测量装置中必须使测量回路最小化。使用示波器的探头针和接地弹簧的测量方法是最推荐的精确测量方法之一,使用这种方法,可以很容易地减小噪声收集环路。

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测量低电平输出纹波时,不建议使用常见的10倍示波器探头。信号可能会低于示波器探头的最大敏感度。它可以与通道本底噪声保持相同电平。因此,10倍探头将信号衰减到十分之一,从而使低电平信号降为示波器本底噪声。如果需要执行低电平纹波测量,则考虑1倍无源探头或50 Ω同轴电缆。

同时,测量点也会影响输出纹波测量结果,所以要考虑的第二件事是选择测量点,使噪声收集回路最小化。通常,适当的测量点应在输出滤波电容焊盘上。测量点离电容器越近,在测量过程中产生的噪声越小。

使用接地线圈在输出电容上探测可以产生近乎最佳的纹波细节。电路板上的走线电感明显变小,开关瞬变幅度也得以降低。但是,如下图所示,纹波上还是明显叠加了较低的信号轮廓,测量还不够完美。

ADI应用笔记里给出的最佳实践

使用50Ω同轴电缆,该电缆维持在50Ω环境下, 并通过可选的50Ω示波器输入阻抗端接。在开关稳压器输出电容和示波器输入端之间放置一个隔直电容。电缆的另一端可通过非常短的飞线直接焊接到输出电容上。这样可以保持信号完整性,尤其是在较宽的带宽范围内测量电平非常低的信号时。

在50Ω环境下使用同轴电缆会产生更为准确的结果,这样纹波本身的噪声较低,即使采用500 MHz的带宽设置也是如此。将示波器带宽设置更改为20 MHz可以消除信号的高频成分,只留下输出纹波本身(参见图 17)。

带宽降低后,除了消除开关瞬变以外,还会发现纹波上的信号或噪声轮廓变化最小,而且没有其他不必要的信号伪像了。这表明,在较宽的带宽范围内测量低输出纹波和开关瞬变信号时,在50Ω环境下使用同轴电缆是最佳解决方案。

文章老wu整理自ADI应用笔记,该应用笔记可以通过下边给出的连接下载:

测量开关稳压器中的输出纹波和开关瞬变

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