直流电源纹波和噪声的测量

2016-12-22 by:CAE仿真在线来源:互联网

随着科技的日新月异,电子产品的种类日渐增多,性能也逐步提高,并已渗透到人类生产生活的各方各面。电子产品的内部电路高度集成化,运算速度也越来越快。而工程师在设计下一代电子产品时,对于超低功耗(Ultra-Low Power)以及更快系统时钟和超高数据速率的极致追求,延续了电源直流电压越来越低、输出电压精度要求越来越高的趋势。

这种趋势让电源设计面临严峻挑战,绝大多数电子产品设计团队现在都需要考虑直流电源的信号完整性问题。开关电源中滤波电路的缺陷以及开关管通断产生的高频噪声,会引起纹波和噪声的产生。这不仅会降低电源效率,而且有可能引发干扰和故障。在数字电路中,直流电源的噪声也会是系统时钟和数据抖动的重要贡献者。

因此,能够拥有一台可测量直流电源微小变化,并能观察到信号更多细节的高精度仪表,同时又对直流电源纹波和噪声的测量方法了如指掌,将会是对电源设计工程师更高的基本要求。

那首先,让我们先对直流电源纹波及噪声有一个初步的认识,然后针对测量中常遇到的疑惑或者影响测量的诸多因素做简要分析,同时提出相应的解决方案。

电源纹波和噪声的定义PARD(periodicand random deviation):

1、电源纹波(Power Ripple):

直流电压/电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量,用电压和电流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值(mVpp/mApp)来表示。

2、电源噪声(Power Noise):

开关管高速通断,使电压/电流急速变化而引起的高频噪声。

纹波和噪声是直流电平上的杂波信号,包含周期性与随机性两种成分。其中,周期性成分在直流电压上下轻微波动,就像水平面上波动的水纹一样,所以被称之为纹波。纹波的频率,通常由开关频率的基波和谐波组成。噪声主要由开关管导通或截止瞬间产生的高频脉冲引起,当然也有电源受到的外界电磁场辐射或传导干扰的影响。纹波和噪声无法避免,只能通过相应设计将其减少到合理程度,比如使用合适的滤波器来滤除。

纹波和噪声的害处:

1、降低电源效率;

2、使电子产品发热量增加,降低产品寿命;

3、较强的纹波可能引起浪涌电压或电流,导致用电器烧毁;

4、引起电子产品产生谐波,干扰电网中的其他设备正常工作;

5、干扰数字电路逻辑关系,影响电路正常工作;

6、带来噪声干扰,引起音频、视频设备产生噪音或画面不稳定。

纹波和噪声的来源:

1、低频纹波:

主要由50Hz工频及其谐波成分组成,幅值小,容易滤除,线性直流电源的纹波甚至可以做到1mVrms以下。

2、高频纹波:

主要来源于开关电路,开关管在导通和截止的过程中会产生高频干扰。同时,二极管在反向恢复瞬间,相当于一个电阻和电感的串联等效电路,引起谐振。高频变压器的漏感,也会产生高频干扰。高频纹波,幅值通常会比低频纹波大许多。

通常情况下,高频纹波的大小与开关电源的频率以及输出滤波器有关。频率越高、滤波器电感和电容值越大,输出纹波越小。

3、共模噪声

功率器件与散热器底板和变压器原边及副边之间存在寄生电容,导线也存在寄生电感。当电压作用于功率器件时,导致开关电源输出端产生共模噪声。

4、开关器件产生的纹波

开关管的导通和截止,会引起电感中的电流随着输出电流的有效值上下波动,故而在电源输出端能看到与开关频率一致的纹波。

5、调节控制环路引起的纹波和噪声

开关电源中的控制回路,并不是完全实时响应,有一定的响应时间,无法做到完全的线性调节。从而导致输出电压在瞬间会忽高忽低的变化,造成电源的振荡,产生纹波和噪声。

影响电源纹波和噪声测试精度的主要因素:

1、探头衰减系数

示波器有源探头或标配无源探头,一般都是10X衰减比例,和示波器连接后,最小垂直刻度会从1mV/div变成10mV/div。此时示波器的本底噪声会对小电压的纹波和噪声测量结果影响很大。故而在测量非常微弱的信号时,要求使用1X衰减比例的探头或无源传输线探头直接将信号引入示波器。

2、探头接地方式

示波器探头,有接地鳄鱼夹和接地弹簧针2种接地方式可以选择。接地鳄鱼夹由于使用方便,受到大多数工程师的青睐。但在测试电源纹波和噪声等微弱信号时,需要考虑地线回路对测量的影响。若地线过长或接地点与信号点离得太远,可能会引入高速芯片的近场EMI辐射噪声。

为减小探头在电源附近受电磁辐射的影响,有以下方法可以参考使用:

① 摘去示波器探头帽和接地鳄鱼夹;

② 使用接地弹簧针,并选择离信号点最近的接地点接地;

③ 在探头接入点并联小电解电容或瓷片电容;

此外,将示波器探头引线绕在铁芯上,以减小共模电流,此操作不会对差分电压测试有影响,但会降低由共模电流引起测量误差的共模电感。在隔离电源中,共模电流是由探头接地引线中的电流产生的。这使得电源地和示波器地之间产生电压降,表现为纹波。

3、示波器耦合方式、直流偏置范围

AC耦合方式

可以滤除被测信号的直流分量,示波器仅观察被测信号的交流分量;

可以配合更小的示波器垂直档位,观察电源纹波和噪声等交流分量的细节。

DC耦合方式和直流偏置范围

被测信号含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上观察;

可以同时观察0V电平与直流输出电平,但若需观察电源纹波和噪声的局部放大细节,则需要示波器有足够的电压偏置范围。

4、输入阻抗

一般而言,示波器无源探头大多数都是1MΩ以上的高阻输入阻抗,对应的示波器通道也需要设置1MΩ高阻输入。

当使用1X的传输线探头,示波器若设置为高阻输入,则会造成与同轴电缆的50Ω阻抗不匹配,引起电源噪声的反射,测量所得到的结果往往会大于50Ω示波器输入阻抗的真实测试结果。使用1X传输线探头时,示波器通道输入阻抗应当选择50Ω匹配阻抗。

由于示波器选择50Ω输入阻抗,耦合方式只能选择DC耦合。而示波器的偏置范围有限,故而对于输出电压较大的电源,还需要增加隔直电路。

5、示波器垂直档位(垂直灵敏度)

一般而言,示波器的最小垂直档位有2~4mV/div。市面上也有为了测量更小电压信号而设计的示波器,其垂直档位最小可以到1mV/div(如Rigol DS4000/6000系列),甚至500uV/div(如Rigol DS2000A系列)。

示波器可以通过调节合适的垂直档位,使波形整体呈现在屏幕上。Rigol示波器还支持垂直档位微调功能,在更小范围内进一步调整垂直档位,以改善ENOB(动态有效位)。如果输入的波形幅度在当前档位略大于满刻度,而使用下一档位波形显示的幅度又稍低,则可以使用微调改善波形显示幅度,方便观察信号细节。

垂直档位的调节范围与当前设置的探头比例有关。默认情况下,探头衰减比例为1X,垂直档位的调节范围为1 mV/div至5 V/div。若探头比衰减比例为10X,垂直档位的调节范围即调整为10mV/div至50V/div。

Example

示波器在测试5V的直流电压时,要想观察到mV级的纹波电压变化细节,必然要将垂直档位尽量调到较小档位上进行测量。

而在1mV/div这么小的垂直档位上,示波器的动态范围仅±4-5mV(视示波器垂直档位格数而定)。5V电压对于±5mV的动态范围显然太大,无法在垂直格数仅8-10div的示波器上观察。故而需要使用AC耦合方式滤除直流分量,或者调节垂直偏置电压到5V,这样就可以观察到纹波和噪声的信号细节。一般而言,示波器很难调节到如此大的偏置电压,故而使用AC耦合方式居多。

6、带宽限制

由电源引起的纹波噪声频率通常都比较低,因而在进行电源纹波和噪声测量时,常常使用带宽限制功能,以隔离高频噪声对测试结果的影响。带宽限制的参数,大多数选择在20MHz;若要评估所有频段或部分频段上电源的噪声情况,则需要选择其他的限制带宽参数,如100MHz/200MHz/250MHz。

7、测试环境

不同的测试环境,也可能会得到不同的测试结果。可以约定以下测试要求:

① 温湿度:室内,温度(20±5)℃,湿度小于80%;

② 尽量减少对测量有影响的机械震动及电磁干扰;

③ 测量仪器与待测电源放置在以上的测试环境下24h以上;

④ 测量仪器在进行正式测量之前,预热半小时以上。

8、其他因素

① 测试时,要求在加载状态下进行测量;

② 电源的负载要选择纯阻性负载,也可使用电子负载;

③ 负载拉载时,要使直流电源输出电流大于电源额定输出电流的80%以上;

④ 接线要尽可能短,以减少测量系统从外界引入的噪声影响。

影响测量结果的示波器重要参数

1、示波器带宽的选择

测试电源噪声时,需要考虑高频响应,这对选择示波器的带宽有相应的要求。带宽足够,则不会滤除电源噪声的高频谐波成分,但示波器带宽也并非越高越好。带宽过高的示波器由于其仪器本身的高频噪声的影响,会降低电源噪声的测量精度。

故而,在测量噪声时,会有带宽限制的选择。一般而言,PCB级的电源噪声测试,示波器带宽选择在500MHz即足够;更高频率的测试,属于芯片和封装设计范畴的电源完整性问题。

2、示波器存储深度和采样率的要求

工程师在选择数字示波器时,一般会关注采样率这个指标。而市面上大多数厂商的示波器产品采样率动辄1GSa/s以上,看似非常之高,但在实际使用时会发现5ms/div大时基下采样率急剧下降,这是因为忽略了存储深度对采样率的影响(详情参见表1,不同存储深度对开关电源DC 12V输出纹波和噪声测试结果的影响)。

常见开关电源的频率一般为200kHz左右,由于开关信号中常常存在工频调制的缘故,工程师至少需要捕获1个工频周期或半周期,甚至更多周期的波形。开关信号典型上升时间约100ns,若要保证精确重建波形,上升沿至少要有5个采样点,采样间隔要小于100ns/5=20ns,采样率即为50MSa/s。如需观察单个工频周期20ms的波形,那存储深度至少要1Mpts。

采样率(50MSa/s)× 采样时间(20ms)=存储深度(1Mpts)

如下TI公司的CSD95379Q3M功率 MOSFET 模块产品,开关频率可达2MHz,最小PWM上升时间40ns,对应的存储即为至少2.5Mpts。

当然,对于工程师而言,存储深度越高越好,以减少存储限制对示波器参数设置的影响,方便操作。市面上主流示波器存储深度大多在2-10Mpts,而Rigol DS4000/DS6000系列示波器,最高存储深度可达140Mpts,完全颠覆示波器行业主流机种存储深度的限制。

示波器的本底噪声与量化误差

市面上绝大多数的数字示波器,ADC采样芯片均是8位,量化等级为256级。示波器ADC位数很难提高,主要是因为更高位数ADC的采样速度很难提高,难以覆盖高带宽、高采样率的用户需求。近年来,有厂商推出ADC位数在10位(由硬件实现)的示波器,也有通过增强软件算法实现位数达12位以上,但极其昂贵的价格让大多数用户望而却步!

工程师如何利用好现有示波器或者采用较为经济的方案,才是极为难得的干货!

示波器在不同垂直档位下的本底噪声不尽相同,这会对纹波和噪声的测量结果造成影响。对于待测信号而言,合适的垂直档位设置极为重要。示波器的最小档位一般为1-2mV/div(如Rigol DS6000/DS4000系列,DS2000A系列甚至可达500uV/div),测试时尽量选用更小的档位,以得到更为精确的测试结果。

当待测信号较小时,先将示波器垂直档位粗调到合适档位,再打开微调功能,使波形占据更多垂直刻度格数,但又不超出屏幕以外,这样可以提高示波器的动态有效位,使得电压测试更为精确。

如下为不同存储深度对开关电源DC 12V输出纹波和噪声测试结果的影响(5ms/div时基、4.7mV/div垂直档位、20MHz带宽限制、AC耦合)

140Mpts存储深度采样率可达2GSa/s, 测量结果:峰峰值32.50mVpp 有效值6.821mVrms