電源波紋測量小心探頭的接地環(huán)路

對某些應(yīng)用而言，最大限度地降低輸出紋波和開關(guān)瞬變是非常重要的，尤其是像高分辨率ADC這樣的噪聲敏感型器件。將開關(guān)穩(wěn)壓器用作電源時，輸出紋波會在ADC輸出頻譜上表現(xiàn)為獨特的尖峰，從而影響其動態(tài)性能或信噪比和無雜散動態(tài)范圍（SFDR）?？紤]到這些不必要的輸出信號，有時會用低壓差（LDO）穩(wěn)壓器代替開關(guān)穩(wěn)壓器。因此會舍棄開關(guān)穩(wěn)壓器的高效率優(yōu)勢，改為獲取LDO穩(wěn)壓器更干凈的輸出。像在Hi-Fi高保真音響系統(tǒng)中，工程師一般就能聽出功放電源電路用的是LDO穩(wěn)壓器還是DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器，外部輸入的是太陽能發(fā)電的電源還是火力發(fā)電的電源。

LDO輸出雖然更為干凈，但在大電流追求高的電源轉(zhuǎn)換效率的系統(tǒng)中，我們還是會選擇DC-DC開關(guān)式轉(zhuǎn)換器，既要追求高的電源轉(zhuǎn)換效率，又對噪聲敏感，正確地測量量化開關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出紋波和開關(guān)瞬變顯得尤為重要。

測量這些參數(shù)需要非常仔細(xì)，因為測量設(shè)置不佳會導(dǎo)致讀數(shù)有誤。由示波器探頭信號和接地引線形成的環(huán)路會引入寄生電感。這樣就會不準(zhǔn)確地提高與快速開關(guān)轉(zhuǎn)換相關(guān)的開關(guān)瞬變幅度。因此，必須在廣泛的寬帶寬測量中保證合理的連接和良好的測量方法。

輸出紋波和開關(guān)瞬變

輸出紋波和開關(guān)瞬變是開關(guān)穩(wěn)壓器輸出中的兩種不希望出現(xiàn)的信號。這些信號取決于穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及所用外部元件的值和特征。

輸出紋波是殘余的交流輸出電壓，與開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)操作密切相關(guān)。其基頻與穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率相同。

開關(guān)瞬變是在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的高頻振蕩。其幅度表示為最大峰峰值。通常，因為它高度依賴于測試設(shè)置，所以很難準(zhǔn)確測量。

在測量輸出紋波時，不同的測量方法收集到干擾的噪聲不同，測量結(jié)果掩蓋在噪聲中，影響了對電源轉(zhuǎn)換器性能的評估。上圖顯示了噪聲分量疊加在實際輸出紋波上，導(dǎo)致測量輸出紋波大于實際輸出紋波。這在使用常規(guī)測量方法時是很常見的，直接將普通的無源示波器探頭連接到輸出端子上。

常規(guī)的連接方式測量無法準(zhǔn)確獲得電源轉(zhuǎn)換器的電壓紋波，因為較長的地線和頂部的探頭鉤子可形成環(huán)形天線，收集周圍環(huán)境的電磁噪聲。將噪聲疊加在輸出電壓紋波上，使測量結(jié)果不準(zhǔn)確。為了獲得實際的輸出電壓紋波，在測量裝置中必須使測量回路最小化。使用示波器的探頭針和接地彈簧的測量方法是最推薦的精確測量方法之一，使用這種方法，可以很容易地減小噪聲收集環(huán)路。

測量低電平輸出紋波時，不建議使用常見的10倍示波器探頭。信號可能會低于示波器探頭的最大敏感度。它可以與通道本底噪聲保持相同電平。因此，10倍探頭將信號衰減到十分之一，從而使低電平信號降為示波器本底噪聲。如果需要執(zhí)行低電平紋波測量，則考慮1倍無源探頭或50Ω同軸電纜。

同時，測量點也會影響輸出紋波測量結(jié)果，所以要考慮的第二件事是選擇測量點，使噪聲收集回路最小化。通常，適當(dāng)?shù)臏y量點應(yīng)在輸出濾波電容焊盤上。測量點離電容器越近，在測量過程中產(chǎn)生的噪聲越小。

使用接地線圈在輸出電容上探測可以產(chǎn)生近乎最佳的紋波細(xì)節(jié)。電路板上的走線電感明顯變小，開關(guān)瞬變幅度也得以降低。但是，如下圖所示，紋波上還是明顯疊加了較低的信號輪廓，測量還不夠完美。

開關(guān)節(jié)點和交流耦合輸出波形

使用端接50Ω同軸電纜的最佳方法

使用50Ω同軸電纜，該電纜維持在50Ω環(huán)境下， 并通過可選的50Ω示波器輸入阻抗端接。在開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電容和示波器輸入端之間放置一個隔直電容。電纜的另一端可通過非常短的飛線直接焊接到輸出電容上。這樣可以保持信號完整性，尤其是在較寬的帶寬范圍內(nèi)測量電平非常低的信號時。

在50Ω環(huán)境下使用同軸電纜會產(chǎn)生更為準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣紋波本身的噪聲較低，即使采用500 MHz的帶寬設(shè)置也是如此。將示波器帶寬設(shè)置更改為20 MHz可以消除信號的高頻成分，只留下輸出紋波本身。

開關(guān)節(jié)點（1）在輸出電容上探測的尖端和管體法（3）以及采用20MHz示波器帶寬設(shè)置的50Ω同軸電纜法（2）波形

帶寬降低后，除了消除開關(guān)瞬變以外，還會發(fā)現(xiàn)紋波上的信號或噪聲輪廓變化最小，而且沒有其他不必要的信號偽像了。這表明，在較寬的帶寬范圍內(nèi)測量低輸出紋波和開關(guān)瞬變信號時，在50Ω環(huán)境下使用同軸電纜是最佳解決方案。

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