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(duì)于不同的場(chǎng)合，對(duì)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(lái)表示，可以用絕對(duì)量，也可以用相對(duì)對(duì)量來(lái)表示。例如一個(gè)電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，其輸出為100V 5A，測(cè)得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對(duì)量，而相對(duì)量即 紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/100V=0.01%，即等于萬(wàn)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(duì)其開(kāi)關(guān)電源輸出5V信號(hào)的紋波進(jìn)行測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)紋波和噪聲的峰峰值達(dá)到了900多mV而其開(kāi)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(jí)還有LDO對(duì)開(kāi)關(guān)電源的這個(gè)輸出再進(jìn)行穩(wěn)壓，但用戶認(rèn)為測(cè)得的這個(gè)結(jié)果過(guò)大，不太可信，希望找出問(wèn)題所在。

01

問(wèn)題分析

電源紋波測(cè)試過(guò)大的問(wèn)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(zhǎng)的鱷魚(yú)夾地線，而且接地點(diǎn)夾在了單板的固定螺釘上，整個(gè)地環(huán)路比較大。由于大的地環(huán)路會(huì)引入更多的開(kāi)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(guò)實(shí)際測(cè)試，發(fā)現(xiàn)測(cè)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(kāi)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(hào)，發(fā)現(xiàn)用戶使用的是示波器標(biāo)配的10:1的無(wú)源探頭。如下圖所示。

10:1的探頭會(huì)把被測(cè)信號(hào)衰減10倍再送入示波器，然后示波器再對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行10倍的數(shù)學(xué)放大。這種探頭的好處是通過(guò)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(duì)于小信號(hào)的測(cè)量不是特備有利。如果被測(cè)信號(hào)幅度本身就小，再衰減10倍可能就淹沒(méi)在示波器的底噪聲里了，即使再做10倍的數(shù)學(xué)放大，對(duì)于信噪比本身也是沒(méi)有改善的。所以對(duì)于電源紋波噪聲的測(cè)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(gè)1:1無(wú)源探頭，這種1:1的無(wú)源探頭雖然帶寬不高(通常幾十MHz)，但衰減比小，對(duì)于小信號(hào)測(cè)試非常合適。

下圖是換用1:1的無(wú)源探頭后，和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對(duì)比測(cè)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(cè)量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過(guò)10:1探頭的測(cè)試結(jié)果。從1:1探頭的測(cè)試結(jié)果里可以看到清晰的紋波的波形，并且滿足用戶對(duì)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(duì)于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。

02

問(wèn)題總結(jié)

這是一個(gè)典型的電源紋波測(cè)試的問(wèn)題。我們通過(guò)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(cè)試結(jié)果大大改善。一般來(lái)說(shuō)，影響電源紋波測(cè)試結(jié)果的影響因素按照重要性主要有以下幾個(gè)：

1、前端連接線和地環(huán)路的長(zhǎng)度：長(zhǎng)的地環(huán)路會(huì)拾取更多開(kāi)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(huì)使得小信號(hào)幅度更加微弱，甚至淹沒(méi)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(cè)試場(chǎng)合使用20MHz的帶寬限制，也有些芯片會(huì)要求測(cè)到80MHz或200MHz。

4、測(cè)量量程：通常會(huì)在小量程檔下(比如10mv/格或20mv/格)進(jìn)行電源紋波的測(cè)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(shí)可能不能夠把被測(cè)的直流電壓信號(hào)拉回到屏幕中心附近進(jìn)行測(cè)量，所以很多時(shí)候會(huì)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(cè)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(guò)示波器連接大部分無(wú)源探頭時(shí)都會(huì)自動(dòng)把阻抗切換到1M歐姆，只有連接有源探頭或同軸電纜時(shí)才可以設(shè)置為50歐姆輸入阻抗。

在進(jìn)行實(shí)際測(cè)試之前，一個(gè)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(gè)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(jiàn)測(cè)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(méi)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(gè)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(kāi)，屏蔽層焊接在被測(cè)電路地上，中心導(dǎo)體通過(guò)一個(gè)隔直電容連接被測(cè)的電源信號(hào)。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(cè)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(cè)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(shí)測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)于電源紋波測(cè)量要求比較高的用戶。