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2021.06.01
如何用示波器测量DC-DC电源输出纹波

作者:


文章中介绍了使用示波器表笔接地弹簧代替传统的测量方式测量电压纹波的方式。
测量输出电压纹波可以快速的评估当代电源转换器和LDO设备的性能。不同的测量方法可能导致测量结果不同。如何获得准确的纹波值成为纹波测量中最重要的部分。本文重点介绍输出电压纹波测量的实用方法,以检验DC-DC电源转换器的性能. 首先简单介绍了电压纹波,然后比较了采用传统的长测量回路与短测量回路技术的波形。最后,给出了三个实用的测量技巧和结论。
现代电子产品应用通常包含嵌入式运算处理和无线连接功能,这些电路经常具有高的脉动和重型负载性能,同时需要低的输入电压波纹。因此要求新一代DC-DC转换器具有更快的瞬态响应,并在快速波动负载条件下保持稳定的输出电压,输出电压的纹波应该和LDO一样,甚至更好。为了评估这些转换器输出的电压纹波,重要的是要了解更好的测量方法,以至于不把大量的噪声耦合到测量波形中从而影响测量结果。
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。图1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。下一节将介绍测量误差产生的原因以及解决这一问题的技术。

图1:测量中叠加了电压纹波和噪声分量

1.测量输出电压纹波

图2:传统测试方法vs 接地弹簧测试方法
传统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能形成环路天线效应,吸收周围的环境噪声。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,以其易于使用和较小的测量回路而闻名。使用这种方法,可以很容易地减小噪声收集环路。
备注:注意,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。图2为使用示波器的探头和接地弹簧测量电源输出电容的两端,输出端子采用常规测量方法。传统方法的噪声采集环路形成的面积远大于接地弹簧法,这就解释了为什么在测量波形上出现了大量的噪声。最后,重要的是根据应用选择一个可合意的示波器采样带宽。有了以上三个提示,测量准确的输出纹波电压就可以很容易的实现。
图3显示了在不同示波器采样带宽设置下,使用传统的长测量回路方法与接地弹簧方法测量输出端子上电容的数据比较。结果表明,传统的长测量回路方法得到的波形上的噪声和纹波大,而接地弹簧测量方法缩短了测量环路,输出波形更加清晰,可以准确测量输出纹波。

图3: 20MHZ电压纹波测量波形

图3: 200MHZ电压纹波测量波形

图3: 500MHZ电压纹波测量波形
2.简单/实际的技巧
最小化测量回路,在DC-DC转换器的输出电压纹波测量中,测量环路面积在对噪声采集中起着重要的作用。要始终考虑最小化循环区域。该方法可以减小噪声对纹波测量值的影响。
选择合适的测量点,确保测量的回路区域足够小。一般情况下,选择离输出电容越近的测量点,而且连接阻抗越低越好。测量点离电容器越近,在测量过程中产生的噪声越小。
设置合意的采样带宽,对于不同的应用,临界载荷对电源转换系统输出纹波噪声的敏感程度可能会有所不同.对于噪声敏感的应用,如高分辨率模数转换器(ADC)或音频应用,建议在全带宽下测量输出纹波,而对于噪声不敏感的应用,可以选择20MHz的采样带宽。请注意,在全示波器采样带宽下,底噪仍需检查,以保证输出纹波的测量准确。
3.结论
使用示波器的探头和接地弹簧法测量DC-DC输出电压纹波的时受到噪声影响较少,易于实现,数据获取精度高.示波器选择合适的采样带宽和合适的测试点,可以很容易地实现精确的测量. 它对大多数DC-DC转换器进行快速检查非常好


低噪声示波器


名称

型号

技术参数

示波器

SDS6054 H10 Pro

随机噪声(RMS,典型值)@1mv/div 50Ω90 uV @500 MHz;

直流增益精度:0.5% : ≥5 mV/div; 1.5% : <5 mV/div

10bit ADC, 带宽500 MHz, 4通道,采样率

5GSa/s,存储深度250 Mpts,波形捕获率75万帧

/秒,SPO技术,12.1英寸触摸屏

示波器

WAVESURFER 4054HD

垂直本底噪声@1mv/div(rms, 50Ω):93uV

直流垂直增益精度:±(0.5%) F.S, offset at 0 V

12bit ADC,500 MHz, 5 GS/s, 4 Ch, 12.5 Mpts/ch DSO with 12.1" Capacitive Touch Screen Display                  

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