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电源纹波是电源品质的重要指标之一,除了工程师外,普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波,但是具体操作流程存在随意性大,可复现性低等问题。接下来普科科技PRBTEK以实测演示对比来描述精通纹波测量需要掌握的技巧和注意要点,帮助用户实现纹波测量又快又准的目标。
一、电源纹波的概念
随着集成电路的发展进步,用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V左右,用于移动设备的LP-DDR系列存储器,供电电压也不超过1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备,对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外,普通用户在经受低质量电源困扰之后,也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真(Hi-Fi)音响爱好者圈子里,就流传着 “火电力度大,水电解析力高,雅鲁藏布江的水电效果好” 等段子。更不乏为了改善电源质量,花重金购买一根昂贵的电源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据,但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。
电源品质中,一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波(ripple)通常认为是在直流电源输出中,叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通常是在交流转直流过程中,由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是,虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的,并且原理上不存在纹波,但是对于使用电池供电的设备,我们仍然需要关注电源的纹波。一方面,随着电池容量的消耗,电压会逐渐降低,为了保证用电设备的输入电压恒定,电池的电压会经过DCDC转换器进行变换,此时会引入额外的交流分量。另一方面,用电设备对电压的需求不一致,一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨,因此会引入多个电压转换器,进而产生不同的交流分量。
二、电源纹波的基本测量
这里以一个常见的Raspberry Pi Pico开发板的电源模块为例,介绍电源纹波测量的基本流程。
2.1Raspberry Pi Pico电源简介
Raspberry Pi Pico是一个小巧实用的MCU板子,供电由一颗来自RICHTEK的RT6150B完成,输出电压是3.3V,电路如图1所示。RT6150B是一个Buck-Boost转换器,因此输入电压既可以高于也可以低于3.3V。板子的供电来自USB接口的5V,实现的是降压转换。值得注意的是,RT6150B有一个Power Save Mode(PSM)。当芯片的7脚(PS)拉低时,PSM启用,芯片工作在PFM模式,效率较高,但是纹波也较高。当PS拉高时,PSM禁用,芯片工作在PWM模式,轻载时效率降低,但是纹波也较低。
图1:Raspberry Pi Pico的供电电路
实际测量时,我们通过软件控制PS拉低或拉高,从而使供电模式在PFM和PWM之间切换,进而对比二者的差异。测量点位方面,供电输出处有一颗电容C2,我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。
2.2示波器设置
探头:纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量,因此和普通电压信号测量比较类似,选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减,例如有1X和10X两个档位,需要设置到没有衰减,即1X的档位上。
探头接地线:拔掉。没错,去掉探头上所有的接地延长线,包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件,可以用最短的路径就近接入板上的地线。
垂直通道:设置为AC耦合;带宽限制设置为20 MHz;本着先粗后细的原则,垂直刻度可以先设大一些,例如50mV/div;检查并确认探头的衰减正确设为了1X。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。
图2:示波器垂直通道设置
时间刻度:本着先粗后细的原则,时间刻度可以先设大一些,例如1ms/div,待后续观察到信号后,再放大查看细节。
触发系统:由于使用AC耦合,触发电平可以设为0V,使用边沿触发即可。
2.3测量波形
使用上述配置,可以测得输出电容两端的交流电压如图3和图4所示。为了方便对比,2张图的垂直刻度都统一设置为了5mV/div。
我们不难发现,相比PWM模式,PFM模式下,电源的纹波是明显大的,这和datasheet的描述是一致的。
图3:PFM模式的纹波
图4:PWM模式的纹波
具体纹波的数值,可以通过数格子、光标或示波器的自动测量功能获取。
以上内容由普科科技prbtek为您分享,如果您在选型/使用过程有什么问题,咨询普科科技官网:www.prbtek.com
公司目前致力于示波器测试附件配件研发、生产、销售,涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、电源纹波探头、柔性电流探头、近场探头、逻辑探头、功率探头和光探头等。
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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Z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Z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Z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。
如果您在使用过程有什么问题,咨询普科科技官网:www.prbtek.com
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在应用电源模块常见的问题中,降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低?普科科技从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发,阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。
纹波噪声的常见测量工具是采用示波器+探头的方式
纹波和噪声即:直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波,高频杂音为噪声。
纹波的产生是由开关传递断续的能量引起的,从开关电源的内部设计来着手,可以提高开关管的频率,使每次传递的能量减小从而减小纹波,也可以增大传递能量的电感值L,使电流的突变峰值降低,从而减小纹波的波动幅度。
从模块外部,尤其是在客户端,可以增加输出滤波电容来减小纹波,但不能无限加大电容,因为大多数开关电源模块有较大容性负载限制。
纹波噪声的测试方法
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试,业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中,平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品,靠测法用于模块引脚间距小的产品。
但不管用平行线测试法还是靠测法,都需要限制示波器的带宽为20MHz。
平行线测试法
注1:C1为高频电容,容量为1μF;C2为钽电容,容量为10μF。
注2:两平行铜箔带之间的距离为2.5mm,两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。
靠测法:
去除地线夹测试的区别
测试纹波噪声需要把地线夹去掉,主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声,不能真实反映电源的输出纹波噪声,影响测量结果。
输出滤波电容的影响:输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。
电感对纹波噪声的影响:电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地,感量大时对纹波YZ作用明显,寄生电容小的电感对噪声YZ效果好。
如果在电源模块选型中,选用低纹波噪声的电源模块,可省去外围电路的搭建。普科科技致力于示波器测试附件配件研发、生产及销售,如您在选型或者使用过程中有任何问题,欢迎访问普科科技PRBTEK官网www.prbtek.com。
- 如何正确用普源示波器测电源纹波
纹波:理想状态时,电源输出的直流电压应为一固定值,但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的。由于滤波不干净或多或少会有剩余的交流成分,这种包含周期性与随机性成分的杂波信号我们称之为纹波。
即便是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。较大的纹波会对高速信号质量产生干扰,影响CPU与GPU正常工作,所以这个数值越小越好。所以为了保证电源的电压输出质量,需要对给电路板供电的AC/DC或DC/DC模块的输出纹波进行测量。而纹波的测量方法对于其该项指标的确定会产生非常大的影响,今天安泰测试Agitek就简单给大家演示一下示波器测电源波纹的一些注意事项。
通过示波器测试电源纹波时,只有采取正确的测量方法,才能得到准确的测量数值。如何正确使用示波器测试电源纹波呢?以下几点为使用示波器测试纹波时需要注意的几点:
1、 示波器要选择20MHz的带宽限制。一般开关电源输出的纹波在DC~20MHz范围。而高频同步开关噪声和信号反射等引起的噪声在DC~1GHz范围。所以此设置可以滤除高频噪声,避免高频噪声对纹波测量造成影响。
下图为纹波与噪声的示意图。A:纹波+噪声;B:纹波;C:噪声。
2、 示波器探头接地线尽量短。通常建议去掉探头帽,使用探头自带的接地弹簧来接地,这样可避免由探针与地线形成的类天线环路耦合进电路中的噪声。
3、 尽量选择有1X的示波器探头。可避免由示波器本身噪声引起的纹波误差。因为探头端对信号进行衰减后,为了在示波器上仍读取实际信号电压值,示波器会通过设置的探头比对信号进行运算。如使用10X衰减探头,实际进入示波器的信号衰减为1/10,为了在示波器上显示真实电压值,示波器上探头比需设为10X,示波器会将所得信号乘10后进行显示。而探头本身的噪声是不会因探头的衰减而衰减,所以乘10后所得的噪声会变大。对于测试的纹波较小时会产生影响。此外,很多探头1X时的带宽只有不足10MHz,会使高于10MHz的纹波衰减造成实际测试的纹波偏小。所以建议选择不低于20MHz的带有1X的探头测试。如RIGOL PVP2000探头,1X时带宽为35MHz,可满足纹波测试带宽要求。
4、示波器的通道耦合方式选择交流,可以将直流电压隔离,方便信号观测。因为纹波是叠加在直流信号上的,相较于直流电压,其数值较小。所以需要将垂直刻度调小,并调节垂直偏移才可以看到纹波信号。此外由于示波器的垂直偏移范围可调范围是有限制的,所以当直流信号过大时可能会导致无法看到纹波。所以选择交流耦合可以只显示交流纹波信号,方便观测波形。
5、如果使用隔离电源时要保证示波器的电源地与被测电源地隔离,避免引入共模干扰。
以上内容由普源示波器代理商——安泰测试整理, 安泰测试作为普源的一级代理,为客户提供选型、样机演示、销售、培训、维修等一站式服务,欢迎有需求的电子工程师咨询安泰测试。
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