方案

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【干货】电源电压纹波测试之打狗棒法和理论秘笈


开关电源应用中,输出电压纹波看起来是小菜一碟,但实际操作中测试结果的真实性,一致性,经常困扰攻城狮。

而且知其然,更要知其所以然。本篇,Chipown攻城狮将手把手教你每个纹波测试技法,剖析背后的理论支撑。

背景

出场人物:

1、客户小A(测试攻城狮,软件工程出身,对电源了解不多);

2、芯朋老司机小M。


测试方案:

芯朋PN8034C 12V0.3A非隔离方案,原理图如下:

打狗棒法第一


攻城狮小A

测试板收到了,为啥纹波这么大?

芯朋老司机小M

有多大?发个图来看下!

攻城狮小A

912mV


芯朋老司机小M

这个。。。是有点大,不过,有点不对啊!

带宽设置有问题,要20MHz限制啊,下面这个圈起来的位置,您限制带宽,再看看区别。


攻城狮小A

好滴,马上。。。

攻城狮小A

测完了,真的降了好多!


示波器带宽20MHz,输出电压纹波376mV


武功秘笈之划重点

带宽选择


我们先了解什么是示波器带宽:输入信号衰减 3 dB 所在的最低频率称为示波器的带宽。

示波器输入的频率响应


从示波器带宽的定义和上图可以看出,在示波器设置带宽之外的信号,是急剧衰减的这个可以回答“设置20MHz带宽限制后,测试纹波明显下降”这个现象,20MHz后的信号迅速衰减,所以测试到的信号幅度下降

示波器中的“20MHz带宽限制”这个选项,是不是满足我们的测试需求?理解测试带宽的选择,我们还需要介绍一个原理:奈奎斯特采样定理:

在进行模拟/数字信号的转换过程中,当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax),采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息

实际应用中考虑到示波器抗混叠滤波器设计指标,在模拟应用中一般取采样频率为信号最高频率的3~5倍时,才能获得完整的原始信号信息。
一般AC-DC的开关频率都在200KHz以内,DC-DC在3MHz以内,频率都不高;  但开关电源中,开关电源中信号变化快的是开关管的上升时间,而非开关频率,所以开关电源纹波测量的带宽取决于开关管的上升时间,对于泰克高频示波器,其上升时间Tr=0.35/BW(MHz),所以,20MHz带宽对应的上升时间是17.5nS;而对于大多数开关管,其上升时间都在100nS的级别,所以这种情况下20MHz是满足5倍被测量信号最高频率的;

小结:信噪比足够大+满足信号测量精度都满足的前提下,选择的带宽才是合适的,20MHz就是大多数情况下开关电源纹波信噪比的最佳选择点(之所以是大多数情况,是因为有特殊情况,比如测试采用新型coolmos作为功率器件的电源时,20MHz就显得小了,需要扩展到300MHz以上)。

打狗棒法第二式

芯朋老司机小M

嗯,现在是376mV了,不过还是有点大,麻烦把示波器型号和探头拍个照片给在下看看!

攻城狮小A

示波器型号Tektronix MDO3014  100MHz2.5GS/S


示波器探棒:无源探头衰减比10:1

芯朋老司机小M

额,探头比例也有点问题,请拨到“1X”档!

攻城狮小A

我试试看!

攻城狮小A

果然,从372mV降到272mV了,真神奇。。。


示波器探头 1:1示波器带宽20MHz输出电压纹波272mV


武功秘笈之划重点

探头的选择


示波器的输入阻抗和探头的阻抗构成了一条衰减器电路,示波器会自动检测探头的衰减比并重新调整示波器的垂直量程设置,以反应出探头的衰减。

需要特别注意的是:信号被衰减,但噪声不会被衰减;示波器内软件将衰减的信号放大N倍(N为探头衰减比),同时噪声也放大N倍。

举例:假设示波器底噪是2mV,我们要测试一个实际为50mV的纹波。

采用1:1的探头,测试到的纹波就是2mV(底噪放大一倍)+50mV(实际)=52mV;

采用10:1的探头,测试到的纹波就是2mV*10(底噪放大10倍)+50mV(实际)=70mV;

采用100:1的探头,测试到的纹波就是2mV*100(底噪放大100倍)+50mV(实际)=250mV;

可以看出,采用100:1的探头测试50mV级别的纹波,结果已经是严重偏离实际情况了。


打狗棒法第三式

芯朋老司机小M

应该还可以往下挖潜力,您再把测试的全图拍个照来!


攻城狮小A

芯朋老司机小M

我们继续,把示波器的探头夹到线路板上的输出端,把接地环换掉地线端子!

攻城狮小A

接地环得找找,我先换到板端看看!

攻城狮小A

果然,又降了!神奇!


现在输出电压纹波是224mV

攻城狮小A

还能继续吗?

芯朋老司机小M

能,换接地环!

攻城狮小A

我去找,等会儿~

攻城狮小A

是这样吧?


芯朋老司机小M

是的,效果怎么样?

攻城狮小A

192mV,200mV以内了,老司机可以啊



武功秘笈之划重点

测量位置和接地方式的选择

开关电源中,随着开关管的动作,会通过电磁干扰产生辐射,而这部分辐射就会被接地夹线与探头形成的线圈给接收到,这部分信号对测量的干扰是不能忽略的,如下图所示。

减小测试回路面积可以有效改善测试质量,这就是采用测试端直接接在线路板上和测试接头采用接地弹簧(接地环)后测试纹波可以下降的原因。


打狗棒法第四式

芯朋老司机小M

一般家电用,这样测就可以了。
实际纹波还要小,可以在测试端加一个10uF电解和0.1uF瓷片,用电子负载的时候都会这样。


攻城狮小A

那我得试一下,这样吧?


芯朋老司机小M

是滴!

攻城狮小A

只有104mV! 牛了!


芯朋老司机小M

是的,您看,测试方法对纹波的影响是非常大的!

攻城狮小A

嗯,还得多学习啊,这次谢谢了

芯朋老司机小M

共同进步~

武功秘笈之划重点

输出端并联瓷片电容和电解电容


主要是滤除开关噪声及高频干扰,避免噪声与真正的纹波叠加在一起,干扰测试结果真实性。

大总结


我们回顾下客户攻城狮小A和芯朋老司机小M关于220V输入,PN8034C 12V0.3A输出的测试过程和结果:

同一电源只要通过以下5点调整测试方法,输出电压纹波即可得到改善

  1. 示波器宽带限制20MHZ;

  2. 示波器探头位置在电源板端(针对家电或者工业控制等控制板,适配器测试应该是放在输出线端);

  3. 示波器探头衰减比尽量选择 1:1,没有1:1探头的条件下用10:1;

  4. 示波器探头地线使用接地环(如果没有接地环,可以将地线缠绕在探头正级上);

  5. 输出端并联100nF/50V ,10uF/50V(按实际输出电压选择)。



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