直流電源紋波和噪聲的測量

2016-12-22 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著科技的日新月異,電子產(chǎn)品的種類日漸增多,性能也逐步提高,并已滲透到人類生產(chǎn)生活的各方各面。電子產(chǎn)品的內(nèi)部電路高度集成化,運(yùn)算速度也越來越快。而工程師在設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品時(shí),對(duì)于超低功耗(Ultra-Low Power)以及更快系統(tǒng)時(shí)鐘和超高數(shù)據(jù)速率的極致追求,延續(xù)了電源直流電壓越來越低、輸出電壓精度要求越來越高的趨勢(shì)。

這種趨勢(shì)讓電源設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn),絕大多數(shù)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在都需要考慮直流電源的信號(hào)完整性問題。開關(guān)電源中濾波電路的缺陷以及開關(guān)管通斷產(chǎn)生的高頻噪聲,會(huì)引起紋波和噪聲的產(chǎn)生。這不僅會(huì)降低電源效率,而且有可能引發(fā)干擾和故障。在數(shù)字電路中,直流電源的噪聲也會(huì)是系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的重要貢獻(xiàn)者。

因此,能夠擁有一臺(tái)可測量直流電源微小變化,并能觀察到信號(hào)更多細(xì)節(jié)的高精度儀表,同時(shí)又對(duì)直流電源紋波和噪聲的測量方法了如指掌,將會(huì)是對(duì)電源設(shè)計(jì)工程師更高的基本要求。

那首先,讓我們先對(duì)直流電源紋波及噪聲有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí),然后針對(duì)測量中常遇到的疑惑或者影響測量的諸多因素做簡要分析,同時(shí)提出相應(yīng)的解決方案。

電源紋波和噪聲的定義PARD(periodicand random deviation):

1、電源紋波(Power Ripple):

直流電壓/電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量,用電壓和電流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值(mVpp/mApp)來表示。

2、電源噪聲(Power Noise):

開關(guān)管高速通斷,使電壓/電流急速變化而引起的高頻噪聲。

紋波和噪聲是直流電平上的雜波信號(hào),包含周期性與隨機(jī)性兩種成分。其中,周期性成分在直流電壓上下輕微波動(dòng),就像水平面上波動(dòng)的水紋一樣,所以被稱之為紋波。紋波的頻率,通常由開關(guān)頻率的基波和諧波組成。噪聲主要由開關(guān)管導(dǎo)通或截止瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖引起,當(dāng)然也有電源受到的外界電磁場輻射或傳導(dǎo)干擾的影響。紋波和噪聲無法避免,只能通過相應(yīng)設(shè)計(jì)將其減少到合理程度,比如使用合適的濾波器來濾除。

紋波和噪聲的害處:

1、降低電源效率;

2、使電子產(chǎn)品發(fā)熱量增加,降低產(chǎn)品壽命;

3、較強(qiáng)的紋波可能引起浪涌電壓或電流,導(dǎo)致用電器燒毀;

4、引起電子產(chǎn)品產(chǎn)生諧波,干擾電網(wǎng)中的其他設(shè)備正常工作;

5、干擾數(shù)字電路邏輯關(guān)系,影響電路正常工作;

6、帶來噪聲干擾,引起音頻、視頻設(shè)備產(chǎn)生噪音或畫面不穩(wěn)定。

紋波和噪聲的來源:

1、低頻紋波:

主要由50Hz工頻及其諧波成分組成,幅值小,容易濾除,線性直流電源的紋波甚至可以做到1mVrms以下。

2、高頻紋波:

主要來源于開關(guān)電路,開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的過程中會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。同時(shí),二極管在反向恢復(fù)瞬間,相當(dāng)于一個(gè)電阻和電感的串聯(lián)等效電路,引起諧振。高頻變壓器的漏感,也會(huì)產(chǎn)生高頻干擾。高頻紋波,幅值通常會(huì)比低頻紋波大許多。

通常情況下,高頻紋波的大小與開關(guān)電源的頻率以及輸出濾波器有關(guān)。頻率越高、濾波器電感和電容值越大,輸出紋波越小。

3、共模噪聲

功率器件與散熱器底板和變壓器原邊及副邊之間存在寄生電容,導(dǎo)線也存在寄生電感。當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí),導(dǎo)致開關(guān)電源輸出端產(chǎn)生共模噪聲。

4、開關(guān)器件產(chǎn)生的紋波

開關(guān)管的導(dǎo)通和截止,會(huì)引起電感中的電流隨著輸出電流的有效值上下波動(dòng),故而在電源輸出端能看到與開關(guān)頻率一致的紋波。

5、調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波和噪聲

開關(guān)電源中的控制回路,并不是完全實(shí)時(shí)響應(yīng),有一定的響應(yīng)時(shí)間,無法做到完全的線性調(diào)節(jié)。從而導(dǎo)致輸出電壓在瞬間會(huì)忽高忽低的變化,造成電源的振蕩,產(chǎn)生紋波和噪聲。

影響電源紋波和噪聲測試精度的主要因素:

1、探頭衰減系數(shù)

示波器有源探頭或標(biāo)配無源探頭,一般都是10X衰減比例,和示波器連接后,最小垂直刻度會(huì)從1mV/div變成10mV/div。此時(shí)示波器的本底噪聲會(huì)對(duì)小電壓的紋波和噪聲測量結(jié)果影響很大。故而在測量非常微弱的信號(hào)時(shí),要求使用1X衰減比例的探頭或無源傳輸線探頭直接將信號(hào)引入示波器。

2、探頭接地方式

示波器探頭,有接地鱷魚夾和接地彈簧針2種接地方式可以選擇。接地鱷魚夾由于使用方便,受到大多數(shù)工程師的青睞。但在測試電源紋波和噪聲等微弱信號(hào)時(shí),需要考慮地線回路對(duì)測量的影響。若地線過長或接地點(diǎn)與信號(hào)點(diǎn)離得太遠(yuǎn),可能會(huì)引入高速芯片的近場EMI輻射噪聲。

為減小探頭在電源附近受電磁輻射的影響,有以下方法可以參考使用:

① 摘去示波器探頭帽和接地鱷魚夾;

② 使用接地彈簧針,并選擇離信號(hào)點(diǎn)最近的接地點(diǎn)接地;

③ 在探頭接入點(diǎn)并聯(lián)小電解電容或瓷片電容;

此外,將示波器探頭引線繞在鐵芯上,以減小共模電流,此操作不會(huì)對(duì)差分電壓測試有影響,但會(huì)降低由共模電流引起測量誤差的共模電感。在隔離電源中,共模電流是由探頭接地引線中的電流產(chǎn)生的。這使得電源地和示波器地之間產(chǎn)生電壓降,表現(xiàn)為紋波。

3、示波器耦合方式、直流偏置范圍

AC耦合方式

可以濾除被測信號(hào)的直流分量,示波器僅觀察被測信號(hào)的交流分量;

可以配合更小的示波器垂直檔位,觀察電源紋波和噪聲等交流分量的細(xì)節(jié)。

DC耦合方式和直流偏置范圍

被測信號(hào)含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上觀察;

可以同時(shí)觀察0V電平與直流輸出電平,但若需觀察電源紋波和噪聲的局部放大細(xì)節(jié),則需要示波器有足夠的電壓偏置范圍。

4、輸入阻抗

一般而言,示波器無源探頭大多數(shù)都是1MΩ以上的高阻輸入阻抗,對(duì)應(yīng)的示波器通道也需要設(shè)置1MΩ高阻輸入。

當(dāng)使用1X的傳輸線探頭,示波器若設(shè)置為高阻輸入,則會(huì)造成與同軸電纜的50Ω阻抗不匹配,引起電源噪聲的反射,測量所得到的結(jié)果往往會(huì)大于50Ω示波器輸入阻抗的真實(shí)測試結(jié)果。使用1X傳輸線探頭時(shí),示波器通道輸入阻抗應(yīng)當(dāng)選擇50Ω匹配阻抗。

由于示波器選擇50Ω輸入阻抗,耦合方式只能選擇DC耦合。而示波器的偏置范圍有限,故而對(duì)于輸出電壓較大的電源,還需要增加隔直電路。

5、示波器垂直檔位(垂直靈敏度)

一般而言,示波器的最小垂直檔位有2~4mV/div。市面上也有為了測量更小電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的示波器,其垂直檔位最小可以到1mV/div(如Rigol DS4000/6000系列),甚至500uV/div(如Rigol DS2000A系列)。

示波器可以通過調(diào)節(jié)合適的垂直檔位,使波形整體呈現(xiàn)在屏幕上。Rigol示波器還支持垂直檔位微調(diào)功能,在更小范圍內(nèi)進(jìn)一步調(diào)整垂直檔位,以改善ENOB(動(dòng)態(tài)有效位)。如果輸入的波形幅度在當(dāng)前檔位略大于滿刻度,而使用下一檔位波形顯示的幅度又稍低,則可以使用微調(diào)改善波形顯示幅度,方便觀察信號(hào)細(xì)節(jié)。

垂直檔位的調(diào)節(jié)范圍與當(dāng)前設(shè)置的探頭比例有關(guān)。默認(rèn)情況下,探頭衰減比例為1X,垂直檔位的調(diào)節(jié)范圍為1 mV/div至5 V/div。若探頭比衰減比例為10X,垂直檔位的調(diào)節(jié)范圍即調(diào)整為10mV/div至50V/div。

Example

示波器在測試5V的直流電壓時(shí),要想觀察到mV級(jí)的紋波電壓變化細(xì)節(jié),必然要將垂直檔位盡量調(diào)到較小檔位上進(jìn)行測量。

而在1mV/div這么小的垂直檔位上,示波器的動(dòng)態(tài)范圍僅±4-5mV(視示波器垂直檔位格數(shù)而定)。5V電壓對(duì)于±5mV的動(dòng)態(tài)范圍顯然太大,無法在垂直格數(shù)僅8-10div的示波器上觀察。故而需要使用AC耦合方式濾除直流分量,或者調(diào)節(jié)垂直偏置電壓到5V,這樣就可以觀察到紋波和噪聲的信號(hào)細(xì)節(jié)。一般而言,示波器很難調(diào)節(jié)到如此大的偏置電壓,故而使用AC耦合方式居多。

6、帶寬限制

由電源引起的紋波噪聲頻率通常都比較低,因而在進(jìn)行電源紋波和噪聲測量時(shí),常常使用帶寬限制功能,以隔離高頻噪聲對(duì)測試結(jié)果的影響。帶寬限制的參數(shù),大多數(shù)選擇在20MHz;若要評(píng)估所有頻段或部分頻段上電源的噪聲情況,則需要選擇其他的限制帶寬參數(shù),如100MHz/200MHz/250MHz。

7、測試環(huán)境

不同的測試環(huán)境,也可能會(huì)得到不同的測試結(jié)果。可以約定以下測試要求:

① 溫濕度:室內(nèi),溫度(20±5)℃,濕度小于80%;

② 盡量減少對(duì)測量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾;

③ 測量儀器與待測電源放置在以上的測試環(huán)境下24h以上;

④ 測量儀器在進(jìn)行正式測量之前,預(yù)熱半小時(shí)以上。

8、其他因素

① 測試時(shí),要求在加載狀態(tài)下進(jìn)行測量;

② 電源的負(fù)載要選擇純阻性負(fù)載,也可使用電子負(fù)載;

③ 負(fù)載拉載時(shí),要使直流電源輸出電流大于電源額定輸出電流的80%以上;

④ 接線要盡可能短,以減少測量系統(tǒng)從外界引入的噪聲影響。

影響測量結(jié)果的示波器重要參數(shù)

1、示波器帶寬的選擇

測試電源噪聲時(shí),需要考慮高頻響應(yīng),這對(duì)選擇示波器的帶寬有相應(yīng)的要求。帶寬足夠,則不會(huì)濾除電源噪聲的高頻諧波成分,但示波器帶寬也并非越高越好。帶寬過高的示波器由于其儀器本身的高頻噪聲的影響,會(huì)降低電源噪聲的測量精度。

故而,在測量噪聲時(shí),會(huì)有帶寬限制的選擇。一般而言,PCB級(jí)的電源噪聲測試,示波器帶寬選擇在500MHz即足夠;更高頻率的測試,屬于芯片和封裝設(shè)計(jì)范疇的電源完整性問題。

2、示波器存儲(chǔ)深度和采樣率的要求

工程師在選擇數(shù)字示波器時(shí),一般會(huì)關(guān)注采樣率這個(gè)指標(biāo)。而市面上大多數(shù)廠商的示波器產(chǎn)品采樣率動(dòng)輒1GSa/s以上,看似非常之高,但在實(shí)際使用時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)5ms/div大時(shí)基下采樣率急劇下降,這是因?yàn)楹雎粤舜鎯?chǔ)深度對(duì)采樣率的影響(詳情參見表1,不同存儲(chǔ)深度對(duì)開關(guān)電源DC 12V輸出紋波和噪聲測試結(jié)果的影響)。

常見開關(guān)電源的頻率一般為200kHz左右,由于開關(guān)信號(hào)中常常存在工頻調(diào)制的緣故,工程師至少需要捕獲1個(gè)工頻周期或半周期,甚至更多周期的波形。開關(guān)信號(hào)典型上升時(shí)間約100ns,若要保證精確重建波形,上升沿至少要有5個(gè)采樣點(diǎn),采樣間隔要小于100ns/5=20ns,采樣率即為50MSa/s。如需觀察單個(gè)工頻周期20ms的波形,那存儲(chǔ)深度至少要1Mpts。

采樣率(50MSa/s)× 采樣時(shí)間(20ms)=存儲(chǔ)深度(1Mpts)

如下TI公司的CSD95379Q3M功率 MOSFET 模塊產(chǎn)品,開關(guān)頻率可達(dá)2MHz,最小PWM上升時(shí)間40ns,對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)即為至少2.5Mpts。

當(dāng)然,對(duì)于工程師而言,存儲(chǔ)深度越高越好,以減少存儲(chǔ)限制對(duì)示波器參數(shù)設(shè)置的影響,方便操作。市面上主流示波器存儲(chǔ)深度大多在2-10Mpts,而Rigol DS4000/DS6000系列示波器,最高存儲(chǔ)深度可達(dá)140Mpts,完全顛覆示波器行業(yè)主流機(jī)種存儲(chǔ)深度的限制。

示波器的本底噪聲與量化誤差

市面上絕大多數(shù)的數(shù)字示波器,ADC采樣芯片均是8位,量化等級(jí)為256級(jí)。示波器ADC位數(shù)很難提高,主要是因?yàn)楦呶粩?shù)ADC的采樣速度很難提高,難以覆蓋高帶寬、高采樣率的用戶需求。近年來,有廠商推出ADC位數(shù)在10位(由硬件實(shí)現(xiàn))的示波器,也有通過增強(qiáng)軟件算法實(shí)現(xiàn)位數(shù)達(dá)12位以上,但極其昂貴的價(jià)格讓大多數(shù)用戶望而卻步!

工程師如何利用好現(xiàn)有示波器或者采用較為經(jīng)濟(jì)的方案,才是極為難得的干貨!

示波器在不同垂直檔位下的本底噪聲不盡相同,這會(huì)對(duì)紋波和噪聲的測量結(jié)果造成影響。對(duì)于待測信號(hào)而言,合適的垂直檔位設(shè)置極為重要。示波器的最小檔位一般為1-2mV/div(如Rigol DS6000/DS4000系列,DS2000A系列甚至可達(dá)500uV/div),測試時(shí)盡量選用更小的檔位,以得到更為精確的測試結(jié)果。

當(dāng)待測信號(hào)較小時(shí),先將示波器垂直檔位粗調(diào)到合適檔位,再打開微調(diào)功能,使波形占據(jù)更多垂直刻度格數(shù),但又不超出屏幕以外,這樣可以提高示波器的動(dòng)態(tài)有效位,使得電壓測試更為精確。

如下為不同存儲(chǔ)深度對(duì)開關(guān)電源DC 12V輸出紋波和噪聲測試結(jié)果的影響(5ms/div時(shí)基、4.7mV/div垂直檔位、20MHz帶寬限制、AC耦合)

140Mpts存儲(chǔ)深度采樣率可達(dá)2GSa/s, 測量結(jié)果:峰峰值32.50mVpp 有效值6.821mVrms