如何測量波紋以獲得更好的設(shè)計結(jié)果

1.前言

測試開關(guān)電源包括許多不同的測試，其中之一是輸出電壓峰峰值紋波。輸出電壓紋波是直流 (DC) 輸出電壓的交流 (AC) 分量。它是由多種因素共同產(chǎn)生的，包括輸出電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR)、輸出電容兩端的電壓降、占空比和開關(guān)頻率。

因?yàn)樗鼤绊戨娫窜壍恼w電壓容差，所以峰峰值輸出電壓紋波是許多處理器、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)、專用集成電路 (ASIC) 和系統(tǒng)上的目標(biāo)規(guī)范- 芯片 (SoC) 數(shù)據(jù)表和設(shè)計指南。

測量紋波的方式會影響我們滿足設(shè)計要求的能力。

2.紋波測試方法

圖 1 顯示了典型的輸出電壓紋波探頭設(shè)置。

圖 1：輸出電壓紋波探頭設(shè)置

使用夾式探頭進(jìn)行探測顯示紋波增加，這可能部分是地線環(huán)路拾取噪聲的結(jié)果，如圖 2 所示。

圖 2：輸出電壓紋波探頭，帶有一個夾式探頭和完全延伸的地線，從附近的開關(guān)節(jié)點(diǎn)拾取噪聲

使用尾纖方法進(jìn)行探測可以改善紋波，即使尖端再次靠近開關(guān)節(jié)點(diǎn)，如圖 3 所示。接地回路要短得多；因此噪聲拾取不那么嚴(yán)重。

圖 3：使用尾纖法的輸出電壓紋波探頭；探頭地與尾纖接觸，尾纖連接到電路板地

如圖 4 所示，使用同軸電纜方法可以進(jìn)一步改善結(jié)果。將編織銅屏蔽層直接焊接在電路板接地上可進(jìn)一步減少接地回路。

圖 4：使用同軸方法的輸出電壓紋波探頭

圖 5 顯示了同軸電纜的特寫。

圖 5：同軸電纜特寫：外塑料護(hù)套 (a)；編織銅屏蔽層（接地）（b）；內(nèi)部介電絕緣體（c）；和銅芯 (V OUT ) (d)

另一種類似的測量方法是使用如圖 6 所示的探頭插孔。外部護(hù)套是直接連接到電路板上的地，同時允許探頭尖端連接到電壓測試點(diǎn)。

圖 6：探頭插孔

在所有這些方法中，使用差分探頭可能是準(zhǔn)確測量紋波的最佳方法。它可以消除接地回路噪聲拾取誤差，特別是在將其他電子設(shè)備連接到同一板接地時（例如電子負(fù)載和萬用表）。

圖 7 顯示了板上差分探頭連接的兩個測試點(diǎn)。

圖 7：差分探頭測試點(diǎn) CPU_VSEN+ 和 CPU_VSEN-

如果我們試圖滿足嚴(yán)格的輸出電壓調(diào)節(jié)要求并具有較低的峰峰值電壓紋波目標(biāo)，那么如何測量電路板上的紋波可能會成就我們，也可能會毀了我們。優(yōu)化我們的探測方法將幫助我們進(jìn)行測量并滿足規(guī)格要求。在TPS40304EVM-353等開關(guān)穩(wěn)壓器評估模塊 (EVM) 上練習(xí)和比較本文中討論的任何探測方法。此外，請閱讀應(yīng)用報告“降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓”，了解如何在 WEBENCH ® Power Designer 中計算和報告紋波電壓。

3. 如何獲取正確紋波的信號

為了觀察產(chǎn)生的正確信號，消除探測方法的寄生效應(yīng)是相當(dāng)大的。但是，我們在下面聲明應(yīng)將示波器輸入設(shè)置為 50 歐姆。盡管 RG-58 同軸電纜是 50 ohm 傳輸線，但我們將使用 50 ohm 終端加載電源。轉(zhuǎn)換器電源的輸出阻抗非常低，遠(yuǎn)低于符號發(fā)生器中的 50 歐姆電源。為什么我們不希望使用 1 Mohm 示波器輸入設(shè)置？

的確，使用 50 歐姆終端確實(shí)在電源輸出端增加了 50 歐姆的負(fù)載，但它也使整個傳輸路徑保持相對較低的阻抗。使用 1 Meg 設(shè)置，我們更有可能通過天線效應(yīng)通過電纜本身拾取噪聲。

如果我們確信 50 歐姆阻抗不會影響信號（對于電源輸出，我們絕對應(yīng)該如此），那么我們將在 50 歐姆端接時獲得更清晰的波形。

但是，我們確實(shí)需要使用高阻抗探頭來測量僅具有較小驅(qū)動能力的信號（例如 FB 或 COMP 節(jié)點(diǎn)），因?yàn)轭~外的 50 歐姆接地會改變答案。

PS > 對于更高的輸出電壓或開關(guān)節(jié)點(diǎn)，我們可能需要查看示波器的滿量程范圍，因?yàn)橥ǔ?/span> 50 歐姆設(shè)置意味著 1:1 轉(zhuǎn)換（大多數(shù)商業(yè)探頭包括 10:1 或 20:1 分壓器所以這不是問題）。

如果我們需要測量比允許的更高的電壓，我們可以轉(zhuǎn)到 1 Meg 設(shè)置，并接受我們更有可能獲得一點(diǎn)噪聲拾取，或者我們仍然可以通過以下方式保持路徑相對較低的阻抗通過將一個 450 歐姆電阻與我們的信號串聯(lián)，制作一個內(nèi)部 50 歐姆的 10:1 分壓器。