如何在示波器上测量电源纹波

电子产品中使用的大多数台式电源和主电源调节器都是开关稳压器，根据安全考虑，可以进一步隔离或非隔离。给定所需的接地策略和与负载的连接，电源或电源调节器可以显示不同级别的噪声。当您测试台架电源或板载电源调节器时，正确测量产生的噪声非常重要。

测量功率调节器噪声的主要工具是示波器，如果你想查看噪声功率谱，可能还需要频谱分析仪。为了帮助新工程师更好地处理他们在电力电子设备中可能遇到的噪声，下面的指南概述了如何使用示波器捕获精确的电源噪声测量。

示波器上的电源噪声

示波器可以直接在时域内对波形进行采样，并将测量结果显示给用户。对于电源来说，这需要在输出端增加负载，并使用标准的高带宽探头连接到电路上。所需组件的完整列表如下:

• 所需带宽和衰减比的探头(以10:1为宜)
• 如果可以，使用差动探头进行高精度测量，否则单端探针是合适的
• 电阻性负载，最好有足够高的电阻以稳定调节器

这些测量的连接非常简单:将负载放在电源输出上，并用示波器进行测量。该测量需要一个能够处理高功耗(约1w)的精密电阻，特别是如果您将在更高的电压下运行该测量。然后通过功率调节器的端子直接测量输出。

有了这种配置，我们打算能够测量初级开关稳压器电路中与电感相关的初级开关波形。在更先进的隔离系统中，如LLC谐振变换器，初级侧电感器、变压器和并联电容器将决定次级侧的纹波频率和强度。输出电容组(和电容的ESR值)将决定在输出端口测量的纹波的大小。

量化噪声

在最初接通电源并将时域波形带到示波器上时，由于分压器设置，波形将出现非常低的水平，并伴有一些直流偏移。降低每分电压和每分时间设置，使纹波进入观察区域，并解决与电感相关的主要纹波组件。波形应该表现为噪声叠加在恒定电压上。大峰值可能存在，表明切换事件，类似于下面所测量的。

在功率调节器的输出上观察到的大峰值。

从这里开始，我们将关注三个可能的噪声指标:

• 时域波形中的主要频率分量
• 峰峰电压，或从标称直流的峰值电压偏移
• RMS电压，或与标称直流电数值的标准偏差

的峰间电压或均方根电压可以从大多数示波器的自动测量中提取。如果您的范围不包含自动测量，您将需要使用一组游标来标记测量值，或者您将需要更改水平/垂直划分来进行测量。

通常，在连续传导模式下运行时，输出上的纹波将是半平滑波形，具有某种三角形形状。由于两个原因，它不会是完美的三角形:探头和示波器输入中的高频滚转，以及电源输出上的任何低通滤波。然而，通常会看到附加的频率分量叠加在与电感器相关的主纹波上。

探测器电容

电源中开关元件的典型开关频率同步或异步)可以从100千赫到10兆赫的任何地方。用于测量的探针将给开关调节器的输出增加一些电容，这将改变示波器上看到的波形的外观。理想情况下，探头的带宽应该达到100 MHz左右，探头电容最小(<100 pF)，以获得最准确的开关波形测量。

为什么需要负载?

在使用示波器测量电源纹波时，有时会有一种感觉，认为负载不应该包括在内。负载的包含对于表征电源输出的噪声是非常重要的。这是因为工作特性，以及您将测量的噪声波形，取决于连接到电源的负载。

一般来说，工作台电源和电源调节器都是设计在电源中运行的连续传导方式使电感电流(离开开关节点的电流)始终大于零。电源也可以故意设计成间断运行。在任何一种情况下，负载需要匹配的预期工作范围

如果负载太小，那么在调节器的输出上可能会看到尖峰(振铃)。如果输出端有铃声，那么寄生当电感电流降至零时，可能会产生欠阻尼振荡，随后开关回到正向导通。下面的SPICE结果显示了一个例子，由于在不连续模式下运行，可以观察到振铃，以及调节器输出上的过度电感。

在开关稳压电路的输出端可以看到周期性的激励振铃。在本文中了解更多关于这些故障的信息．

在这种情况下，重要的是用近场探头探测电感区域，看看是否可以在开关噪声中看到伪影，或者使用更大的负载，看看输出是否稳定。在某个最小负载电阻时，开关稳压电路的操作将转变为连续，振铃事件应停止。

数字系统中的电力轨道波纹如何?

这里使用的技术可以用来测量沿电源轨道的波纹，可以直接探测电源轨道，也可以使用近场探头。近场探头可以从板的其他区域拾取磁场，因此沿着轨道的直接接触探头措施将是更可取的。这通常是通过连接到SMA的同轴探头来完成的，理想情况下，这将是与示波器的输入阻抗匹配的阻抗，以便正确确定高频噪声分量的大小。

这些测量的另一个因素是数字元件的负载特性。数字系统中的电源轨道连接到开关元件，开关元件根据CMOS缓冲电路中的输入数据信号从高阻抗切换到低阻抗。因此，您可以有效地测量一个极低阻抗电路上的电压，而不是测量具有固定直流电阻的负载。

用于PDN测量的连接也与用于功率稳压器输出噪声测量的连接不同。在电源输出噪声测试中，从稳压电路或稳压电路的输出端测量输出稳压模块(VRM)．在电源轨馈电大型数字处理器时，由于电源轨坍陷而产生的纹波在Vcc/Vdd输入处可见，这可能有任意数量的中频振荡，与电源稳压器开关噪声无关。

你可能会在数字系统的电源轨道上看到像这样的强刺。

为了测量由于I/ o切换而产生的功率轨纹波，理想的测量位置是在功率轨的输出端。在现实中，这通常是困难的，因为PCB中PDN的结构，所以需要找到另一个点来连接探测器。PDN可以跨越多层，它可以在多个点连接到一个大型处理器。作为另一个例子，PDN可以分支到不同的轨道，每个轨道都有自己的功率完整性问题，这取决于轨道之间的传输阻抗。

由于这些测量要复杂得多，而且需要更专业的设备，因此这个讨论将留到以后的文章中讨论。然而，一般来说，测量可以在时域或频域进行，后者是用a进行的矢量网络分析仪．

在确定开关稳压器电路和电源中的任何问题后，您可以使用完整的设计功能集来解决电路和PCB布局中的这些问题OrCAD从节奏．OrCAD是业界最好的PCB设计和分析软件与实用工具，包括原理图捕捉，PCB布局和路由，和制造。OrCAD用户可以访问一套完整的原理图捕获功能、PSpice中的混合信号模拟以及强大的CAD功能等等。

订阅我们的通讯获取最新信息。如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，和我们的专家团队谈谈吧．