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直流穩(wěn)定電源紋波如何消除?
閱讀：100 發(fā)布時間：2024-11-28何為紋波?由于直流穩(wěn)定電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，這就不可避免地在直流穩(wěn)定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復(fù)雜，它的形態(tài)一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。對于不同的場合，對紋波的要求各不一樣。
紋波的表示方法可以用有效值或峰值來表示，可以用絕對量，也可以用相對對量來表示。例如一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為100V 5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量即 紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/100V=0.01%，即等于萬分之一。
為什么你的電源紋波那么大?
某用戶在用500MHz帶寬的示波器對其開關(guān)電源輸出5V信號的紋波進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)紋波和噪聲的峰峰值達(dá)到了900多mV而其開關(guān)電源標(biāo)稱的紋波的峰峰值<20mv。雖然用戶電路板上后級還有LDO對開關(guān)電源的這個輸出再進(jìn)行穩(wěn)壓，但用戶認(rèn)為測得的這個結(jié)果過大，不太可信，希望找出問題所在。
一、問題分析
電源紋波測試過大的問題通常和使用的探頭以及前端的連接方式有關(guān)。首先檢查了用戶探頭的連接方式，發(fā)現(xiàn)其使用的是如下面左圖所示的長的鱷魚夾地線，而且接地點(diǎn)夾在了單板的固定螺釘上，整個地環(huán)路比較大。由于大的地環(huán)路會引入更多的開關(guān)電源造成的空間電磁輻射噪聲以及地環(huán)路噪聲，于是更換成如下面右圖所示的短的接地彈簧針。
經(jīng)過實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)測得的紋波噪聲的峰峰值有很大改善。但紋波噪聲的峰峰值仍然有40多mV，和開關(guān)電源廠商標(biāo)稱的<20mV仍有較大差異。
進(jìn)一步檢查用戶使用的探頭的型號，發(fā)現(xiàn)用戶使用的是示波器標(biāo)配的10:1的無源探頭。如下圖所示。
10:1的探頭會把被測信號衰減10倍再送入示波器，然后示波器再對被測信號進(jìn)行10倍的數(shù)學(xué)放大。這種探頭的好處是通過前面的匹配電路提升了探頭帶寬可以到幾百M(fèi)Hz，而且擴(kuò)展了示波器的量程，但是對于小信號的測量不是特備有利。如果被測信號幅度本身就小，再衰減10倍可能就淹沒在示波器的底噪聲里了，即使再做10倍的數(shù)學(xué)放大，對于信噪比本身也是沒有改善的。所以對于電源紋波噪聲的測量應(yīng)該盡量使用小衰減比的探頭，比如1:1的探頭。于是另外找了一個1:1無源探頭，這種1:1的無源探頭雖然帶寬不高(通常幾十MHz)，但衰減比小，對于小信號測試非常合適。
下圖是換用1:1的無源探頭后，和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對比測試結(jié)果。可以看到，使用1:1探頭并設(shè)置20MHz帶寬限制后，測量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過10:1探頭的測試結(jié)果。從1:1探頭的測試結(jié)果里可以看到清晰的紋波的波形，并且滿足用戶對于電源紋波噪聲<20mV的預(yù)期。另外，我們也可以看到，帶寬限制對于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。
二、問題總結(jié)
這是一個典型的電源紋波測試的問題。我們通過使用短的地線連接、換用低衰減比的探頭以及帶寬限制功能使得紋波噪聲的測試結(jié)果大大改善。一般來說，影響電源紋波測試結(jié)果的影響因素按照重要性主要有以下幾個：
1、前端連接線和地環(huán)路的長度：長的地環(huán)路會拾取更多開關(guān)電源的電磁輻射以及地噪聲，因此需要使用盡可能短的地線連接。
2、探頭的衰減比：大衰減比的探頭會使得小信號幅度更加微弱，甚至淹沒在示波器底噪聲里，所以應(yīng)該盡量使用1:1衰減比的探頭。
3、帶寬限制：很多電磁噪聲和示波器的底噪聲都是寬帶的，設(shè)置合適的帶寬限制可以濾除額外的噪聲。很多電源紋波噪聲測試場合使用20MHz的帶寬限制，也有些芯片會要求測到80MHz或200MHz。
4、測量量程：通常會在小量程檔下(比如10mv/格或20mv/格)進(jìn)行電源紋波的測試。量程打得越大，示波器的底噪聲越高。但有些示波器的偏置范圍有限，在小檔位下時可能不能夠把被測的直流電壓信號拉回到屏幕中心附近進(jìn)行測量，所以很多時候會使用示波器的AC耦合功能把直流隔離掉再進(jìn)行紋波噪聲測試。
5、輸入阻抗：很多示波器有50歐姆和1M歐姆的輸入阻抗選擇，通常50歐姆輸入阻抗下示波器的底噪聲更低。不過示波器連接大部分無源探頭時都會自動把阻抗切換到1M歐姆，只有連接有源探頭或同軸電纜時才可以設(shè)置為50歐姆輸入阻抗。
在進(jìn)行實(shí)際測試之前，一個比較好的習(xí)慣是先檢查一下當(dāng)前使用的設(shè)備和設(shè)置下的系統(tǒng)的底噪聲。下面圖中的5個波形分別是使用500M的S系列示波器在使用不同的探頭和帶寬設(shè)置下的底噪聲結(jié)果。波形從上到下依次為：50歐姆輸入阻抗，1:1探頭，500MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗，1:1探頭，20MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗，1:1探頭，500MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗，10:1探頭，20MHz帶寬;1M歐姆輸入阻抗，10:1探頭，500MHz帶寬。其底噪聲的峰峰值從不到1mV直到接近30mV，可見測試中探頭、帶寬、輸入阻抗設(shè)置的重要性。
如果手頭實(shí)在沒有合適的低衰減比的探頭，也可以用50歐姆的同軸電纜用如下方式自制一個探頭。實(shí)際上就是把電纜的一頭接在示波器上，示波器設(shè)置為50歐姆輸入阻抗;電纜的另一頭剝開，屏蔽層焊接在被測電路地上，中心導(dǎo)體通過一個隔直電容連接被測的電源信號。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是低成本，低衰減比，缺點(diǎn)是一致性不好，隔直電容參數(shù)及帶寬不好控制。另外，近些年示波器廠商還推出了專門為電源紋波測試設(shè)計(jì)的探頭，結(jié)合了低衰減比(1.1:1)、高帶寬(硬件2GHz，可以軟件設(shè)置帶寬限制)、兼顧測量需要和噪聲的阻抗匹配(探頭本身直流輸入阻抗為50k歐姆，但示波器端是50歐姆輸入阻抗頻譜)、短地線(提供很低環(huán)路電感的焊接前端)、大偏置范圍(可以到±24V)、可以紋波和直流電壓同時測試等優(yōu)點(diǎn)，適用于對于電源紋波測量要求比較高的用戶。