電源波紋測(cè)量小心探頭的接地環(huán)路

對(duì)某些應(yīng)用而言，最大限度地降低輸出紋波和開(kāi)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器用作電源時(shí)，輸出紋波會(huì)在ADC輸出頻譜上表現(xiàn)為獨(dú)特的尖峰，從而影響其動(dòng)態(tài)性能或信噪比和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）?？紤]到這些不必要的輸出信號(hào)，有時(shí)會(huì)用低壓差（LDO）穩(wěn)壓器代替開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。因此會(huì)舍棄開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高效率優(yōu)勢(shì)，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(tīng)出功放電源電路用的是LDO穩(wěn)壓器還是DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，外部輸入的是太陽(yáng)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(huì)選擇DC-DC開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器，既要追求高的電源轉(zhuǎn)換效率，又對(duì)噪聲敏感，正確地測(cè)量量化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變顯得尤為重要。

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

輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變

輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出中的兩種不希望出現(xiàn)的信號(hào)。這些信號(hào)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)操作密切相關(guān)。其基頻與穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率相同。

開(kāi)關(guān)瞬變是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)生的高頻振蕩。其幅度表示為最大峰峰值。通常，因?yàn)樗叨纫蕾囉跍y(cè)試設(shè)置，所以很難準(zhǔn)確測(cè)量。

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

常規(guī)的連接方式測(cè)量無(wú)法準(zhǔn)確獲得電源轉(zhuǎn)換器的電壓紋波，因?yàn)檩^長(zhǎng)的地線和頂部的探頭鉤子可形成環(huán)形天線，收集周?chē)h(huán)境的電磁噪聲。將噪聲疊加在輸出電壓紋波上，使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。為了獲得實(shí)際的輸出電壓紋波，在測(cè)量裝置中必須使測(cè)量回路最小化。使用示波器的探頭針和接地彈簧的測(cè)量方法是最推薦的精確測(cè)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(cè)量低電平輸出紋波時(shí)，不建議使用常見(jiàn)的10倍示波器探頭。信號(hào)可能會(huì)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(hào)衰減到十分之一，從而使低電平信號(hào)降為示波器本底噪聲。如果需要執(zhí)行低電平紋波測(cè)量，則考慮1倍無(wú)源探頭或50Ω同軸電纜。

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

使用接地線圈在輸出電容上探測(cè)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(kāi)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(hào)輪廓，測(cè)量還不夠完美。

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)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(guò)可選的50Ω示波器輸入阻抗端接。在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出電容和示波器輸入端之間放置一個(gè)隔直電容。電纜的另一端可通過(guò)非常短的飛線直接焊接到輸出電容上。這樣可以保持信號(hào)完整性，尤其是在較寬的帶寬范圍內(nèi)測(cè)量電平非常低的信號(hào)時(shí)。

在50Ω環(huán)境下使用同軸電纜會(huì)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(hào)的高頻成分，只留下輸出紋波本身。

開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（1）在輸出電容上探測(cè)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(kāi)關(guān)瞬變以外，還會(huì)發(fā)現(xiàn)紋波上的信號(hào)或噪聲輪廓變化最小，而且沒(méi)有其他不必要的信號(hào)偽像了。這表明，在較寬的帶寬范圍內(nèi)測(cè)量低輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變信號(hào)時(shí)，在50Ω環(huán)境下使用同軸電纜是最佳解決方案。

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