解决DC/DC开关电源测试只需一招

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解决DC/DC开关电源测试只需一招

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随着开关频率和开关速度不断的提升，在使用开关型的DC/DC电源的时候，要特别关注输入输出电源的纹波。但是测量DC/DC电源的纹波和噪声没有一个行业标准。不同厂家的测试环境以及测试标准都不太一样，导致很多人很迷惑。这篇文章提供了一个简单可靠的电源纹波的测试方法，这种测试方法的可复现性很好，并且不需要带宽很高的示波器和探头。

这篇文章适合用于测量开关型DC/DC转换器的输入以及输出纹波，包括电荷泵，但是不适用于低压差稳压器（LDO）。
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纹波和噪声Ripple and Noise
纹波和噪声指的是在DC/DC转换器输入输出电容上的交流耦合信号，在测试中，一般我们会将这个信号带宽限制到20MHz。
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% M- |$ |, E( O, C* h9 |: ]纹波和噪声主要由以下四项组成。


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--电源纹波（PWM frequency RIPPLE)，和PWM频率相同的。这个纹波表示了输入和输出电容上的充放电过程，在最大负载时，这个纹波达到最大值。这种电压的波动可以通过加大输入输出电容、加大输出电感来减小。

" w( t8 |8 p" b$ P) {  @7 v  G--开关噪声(SWITCHING NOISE)，这种噪声发生在电源的开关时刻。虽然开关噪声的重复周期和PWM频率一致，但是振荡频率一般都很高。开关噪声新的振幅一般取决于电源芯片、电路寄生参数以及PCB布板。

* `! w% V- Q8 ^; ?: E. e+ c$ _) c& v--工频噪声(Recfified main RIPPLE)，一般是交流供电频率的两倍。我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器。大小取决于整流电路的类型。对于半波整流，50Hz；对于全波整流，是100Hz；对于三相全波整流，300Hz。

+ K" k/ U% E0 l; G* u# F--非周期性的随机噪声(NOISE)，和AC电源开关频率均无关。

由于现在AC-DC部分大多采用模块开关电源，后级DC/DC电路工频噪声比较小；随机噪声无法量化。所以一般不考虑这两项的影响，典型的开关电源纹波噪声如下图所示。我们需要测量的是纹波以及开关噪声之和。


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接下来描述了在错误以及正确测量电源纹波噪声的两种方式。

5 R0 \2 P( v8 ^( b4 F: X+ @) e* y下图是一个错误的测量方式，因为示波器的地线会拾取辐射噪声。示波器的地线和信号探头形成的环路形成了一个天线。环路面积越大，在电源PWM切换时，示波器接受到的开关噪声就越大。


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) y' C+ D' S4 ^! }% b  P2 S在测量中，如何减小拾取的辐射噪声？最简单可靠的方法是采用一个接地环来测量电源纹波以及噪声。为了进一步的降低测试误差，可以将示波器探头和地线直接放在电源输出电容得两端。如下图所示，采用这种方法，在信号探头和地线之间的环路面积很小，所以测量中带来误差的噪声几乎可以忽略。
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因为现在的示波器探头都附带有接地环，所以，不再详细描述如何做一个接地环了。原文里有相关描述，见文末链接。

实测案例（Example）
下图描述了采用两个不同的测试方法得到的Vout波形。电源电路是一个BUCK转换电路（AAT1121），工作在1.5MHz的开关频率，输出电压为1.8V/250mA。示波器采用全带宽测试。可以看到伴随着PWM开关，在绿色的trace2有一个很高的噪音以及振铃，但是trace3上却没有明显的噪声。通过对比可以看到，测试方法的选择对结果的准确性很关键。


下图是采用20MHz带宽限制测试到的电源的纹波以及噪声。示波器20MHz的带宽限制是为了防止无源探头带入的共模噪声。可以看到AAT1121BUCK转换器的纹波噪声为10mVp-p，几乎看不到开关噪声。这主要是归功于BUCK控制器的低噪声设计，良好的PCB设计，以及恰当的测试方法。

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总结
下面总结一下正确的测量DC/DC开关电源纹波和噪音的方法。
* T, X; y3 a/ w* Y' S( p( s$ m
, V# N1 d( Q2 f! t% s# ]0 a1)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。
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3 U( Z) b5 @% S- x; q% q* E9 O2)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)。
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( e" }0 D4 q* ?; t3)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。
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