电源纹波测试

prbtek · 发表于 2021-9-29 11:57

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本帖最后由 Heaven_1 于 2021-9-29 15:40 编辑

纹波是电源的核心指标，但如何准确测量纹波却是一个被广泛忽略的问题。也许您认为不就是示波器交流耦合，然后把探头点在电源上吗？事实远非如此，这里普科科技PRBTEK将为您呈现纹波测试的正确方式。

一、探头的选择

在十几年前，很多公司的电源测试标准中都有明确的规定，要求使用1:1 探头进行测量。因为这种探头不会损失示波器的测量档位，比如示波器原来最小档位是2mv/div，使用1:1探头就仍然可以通过这个档位测量纹波，即可以准确测量出10mv以内的纹波。但是由于这种探头的带宽只能做到6MHz左右，所以随着开关电源频率的提升，这种探头便不再适合使用。

目前常用的电源测量探头是10:1无源探头、100:1无源探头、高压差分探头。探头的选择上首先要考虑电压范围，被测电压不要超出探头允许的范围。比如说一般的10:1的无源探头，其低频耐压值是300VRMS，且随着频率的升高而降低，如图1所示。使用之前将测量信号的电压范围设置在此范围内，否则将无法进行正确的测量。

图1 无源探头输入额定电压曲线

除此之外，还需要考虑探头衰减比对底噪的放大，从而判断信号的真实有效部分。采用探头测量时的示意图如图2所示，其中Gn1是虚拟的一个噪声源，表示示波器的本底噪声，而Gn2表示探头的本底噪声。由于信号经过了探头的衰减，为了还原真实信号的大小，示波器内部会对信号再进一步放大，而此时Gn1和Gn2也就跟着被放大，其放大倍数就是衰减比的倒数。所以衰减倍数越大，其测量系统的本底噪声也就被放大的越多。

图2 底噪放大示意图

例如使用500：1高压差分探头进行测量，示波器本底噪声是1mv，探头噪声为为1mv，这样累加噪声是2mv，再经过500倍的放大，其本底噪声就达到了1V，此时就需要考虑，1V的噪声是否在允许范围内。如果您的被测系统纹波本身也就只有1V或者更小，那1V的噪声显然是不允许的。

二、接地方式的选择

传统的使用习惯上，示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。如图3所示，这种接地方式，确实是一种简单方便的接地方式，但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。

图3 接地夹线示意图

由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。其等效电路如图4所示：

图4 接地夹线等效电路图

但是这还不是接地夹线最致命的。开关电源，随着开关管的开合，不仅仅产生了电源纹波，同时也产生了很多电磁干扰，通过空间进行辐射，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，再加上示波器是高阻输入的，就导致这部分信号对测量的干扰非常可观。电磁干扰虽然也可以说是电源的一项参数，但是这部分信号是无法通过示波器探头来进行准确测量的，测量出来的值是毫无意义的。

因为以上两点，所以在测试电源纹波时，是不应该使用接地夹线的，而应该使用接地弹簧。如图5所示，这样既降低了环路电感从而保证了较好的幅频特性，又降低了电磁辐射的引入。

图5 接地弹簧示意图

如果是使用的高压差分探头，则应该将两根输入线双绞在一起，用以降低环路面积。

三、滤波器的应用

上面讲了两种情况，能够有效增强测量结果真实性方法。但有些情况无法按这两点来操作。比如利用高压差分探头进行测量，一般有两个衰减比可以选择：50:1（MAX 130V）、500:1（MAX 1300V）。若测量的电压是200V，这时便发现只能选用500:1的探头衰减比。而按第一部分内容中的计算可知，本底噪声有1V左右，这个底噪就有些偏大了，会影响最终的结果。再比如有些测量情况下不方便固定接地弹簧，而必须使用接地夹线进行固定，但是这样又会引入大量的电磁辐射干扰。

这时候就需要使用滤波器了。噪声和电磁辐射的干扰也和正常信号一样，也是分频段的。如果我们把一部分频段的噪声滤除掉，就可以大大降低底噪和辐射干扰。但是我们又不希望关心的信号被滤除掉，这就需要使用低通滤波器了。

示波器都会有一个20M带宽限制的功能，就是为了降低底噪和辐射干扰，将关心的信号从一堆混乱的信号中摘出来。但是随着开关电源频率的升高，频率的多样化，一个固定的20M带宽限制显然已经不再够用了。

所以，您在测量时，只需要预估一下自己想要测量的频率范围，然后设置好数字滤波器，就可以使你的示波器拥有更低的底噪，使得测量更加准确。

总结

以上是普科科技PRBTEK分享的一些测量电源纹波的注意事项，归纳如下：

1、探头的选择，需要结合探头的耐压范围和被测信号的电压范围来选取，同时还要考虑探头衰减比对本底噪声的放大作用。

2、接地方式的选择，应该尽可能的降低接地回路，如使用接地弹簧。这样既能改善幅频曲线，又能降低电磁辐射的干扰。

3、灵活的使用数字滤波器，将我们需要的信号从“纷纷扰扰”的噪声中提取出来，使得结构更加精确。

4、通过FFT的后期分析功能，可以更加准确的测量开关频率上的噪声大小。