測(cè)量電源紋波常用的有哪些測(cè)量方法 ?

直流電壓波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生紋波現(xiàn)象，疊加在直流上的分量稱為紋波，在我們平常的應(yīng)用中DCDC輸出電源紋波過(guò)大對(duì)于正常工作的芯片可能會(huì)造成影響，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致CPU掛機(jī)，如：板載DDR顆粒的VDD紋波過(guò)大可能會(huì)使得CPU對(duì)于DDR的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)出錯(cuò)，CPU訪問(wèn)到非法地址空間造成芯片的掛機(jī)。

電源輸出交流紋波可以視為是直流輸出疊加一個(gè)交流成分;從圖中可以看出，紋波中包括了兩個(gè)交流成分：一個(gè)DCDC輸出的紋波信號(hào)與一個(gè)高頻噪聲的疊加。

(1)增大BUCK輸出電容：

增大輸出電容容量也就是增大了電源系統(tǒng)所存儲(chǔ)的能量，當(dāng)CPU在加載過(guò)程中需要大電流提供時(shí)，電源平面上較大的電容即可為CPU提供瞬時(shí)所需的能量，使得電壓波動(dòng)不大。但是電容的選擇也是很重要的，對(duì)于小電流電源平面(負(fù)載電流3A這種)可能增加些許陶瓷電容即可達(dá)到較好的需求，但是對(duì)于大電流電源平面(負(fù)載電流上百A這種)，所增加的電容容量就會(huì)變得很大，此時(shí)ESR就變成了考慮對(duì)象。通常CPU的核心電源都是低壓大電流的，一般選擇大容量低ESR的高分子鋁電解電容，而不選擇鋁液體電解電容。

測(cè)量電源紋波一般采用示波器來(lái)測(cè)量，常用的有一下三種測(cè)量方法：

1)靠連法

使用帶有地線環(huán)的示波器探頭，將探針直接接觸正輸出的管腳，線環(huán)直接接觸負(fù)輸出的管腳，這是由于使得環(huán)路盡量短，這樣從示波器中讀出的峰值為輸出線上的紋波與噪聲。如下圖

2)直接法

將地線環(huán)直接與負(fù)輸出的管腳連接，利用探頭接地環(huán)進(jìn)行輸出端測(cè)試。

3)絞連法

輸出管腳接雙絞線后接電容，在電容兩端用示波器測(cè)量。

測(cè)量紋波時(shí)候，需要注意的是：要清楚紋波的帶寬上限，紋波為低頻噪聲，所以一般使用不超過(guò)紋波帶寬上限太多的示波器。

在測(cè)量時(shí)，要先打開(kāi)示波器的帶寬限制功能，把帶寬限制在20MHz，

直接用探頭的屏蔽地和輸出地連接，減少因地線過(guò)長(zhǎng)產(chǎn)生的環(huán)路干擾。

在探頭接入點(diǎn)的位置并聯(lián)一個(gè)較小的瓷片電容和一個(gè)小電解電容，濾除外界干擾信號(hào)防止進(jìn)入示波器。

四、紋波的抑制方法電源輸出紋波主要來(lái)源于五個(gè)方面：低頻輸入紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

抑制這些紋波的通常方法是：加大濾波電路中電容容量、采用LC濾波電路、采用多級(jí)濾波電路、以線性電源代替開(kāi)關(guān)電源、合理布線等。但根據(jù)它的分類(lèi)，有針對(duì)性的采取措施往往會(huì)取得事半功倍的效果。

1、高頻紋波的抑制

高頻紋波噪聲多來(lái)源于高頻功率變換電路。在高頻功率變換電路中，輸入直流電壓通過(guò)高頻功率器件進(jìn)行變換后進(jìn)行整流濾波而實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)壓輸出中，一般會(huì)含有與開(kāi)關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開(kāi)關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波的濾波要求。

2、低頻紋波的抑制

低頻紋波的大小與輸出電路中的濾波電容大小有關(guān)。電容的容量不能無(wú)限制地增加，不可避免的會(huì)造成輸出低頻紋波的殘留。交流紋波經(jīng)過(guò)DC/DC變換電路進(jìn)行衰減后輸出，屬于低頻噪聲范圍，其大小由控制系統(tǒng)的增益和DC/DC變換電路決定。由于電流型和電壓型控制DC/DC變換電路的紋波抑制能力相對(duì)均不高且他們的輸出端低頻交流紋波較大。所以必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施實(shí)現(xiàn)電源的低紋波輸出。

有的電源來(lái)說(shuō)，可增大DC/DC變換器閉環(huán)增益電路和采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓電路可以增強(qiáng)紋波的抑制效果、可以通過(guò)改變整流濾波器的電容量以及調(diào)節(jié)反饋回路的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻紋波的抑制。

3、共模紋波的抑制

共模紋波噪聲一般出現(xiàn)在開(kāi)關(guān)電源，當(dāng)開(kāi)關(guān)電源的矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，與功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間的寄生電容和導(dǎo)線中存在寄生電感相互作用，產(chǎn)生共模紋波噪聲。對(duì)于共模紋波噪聲抑制的方法有：

1)減小控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出端加共模抑制電感及電容;

2)利用EMI濾波器可以有效的抑制共模紋波的干擾;

3)降低開(kāi)關(guān)毛刺幅度。

4、閉環(huán)控制環(huán)路紋波的抑制

閉環(huán)控制環(huán)路紋波的產(chǎn)生原因一般是環(huán)路中的參數(shù)設(shè)置不適當(dāng)，當(dāng)輸出端存在一定波動(dòng)時(shí)，反饋網(wǎng)絡(luò)把輸出端的波動(dòng)電壓反饋到調(diào)節(jié)器回路，致使調(diào)節(jié)器產(chǎn)生自激響應(yīng)，從而產(chǎn)生附加紋波。

抑制方法主要有：抑制調(diào)節(jié)器自激響應(yīng)、合理選擇環(huán)路的放大倍數(shù)、調(diào)節(jié)器穩(wěn)定性、電源輸出端接LDO濾波，這是減少紋波和噪聲最有效的方法

開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制

對(duì)于開(kāi)關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有五種：

1 加大電感和輸出電容濾波

根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)系：vripple=Imax/(Co×f)。 可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開(kāi)關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK型為例，是SWITcH附近)，并聯(lián)電容來(lái)提供電流。

上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制，電感不會(huì)做的很大;輸出電容增加到一定程度，對(duì)減小紋波就沒(méi)有明顯的效果了;增加開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì)增加開(kāi)關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。關(guān)于開(kāi)關(guān)電源的原理等，可以參考各類(lèi)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。

2 二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC濾波器

LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之后(Pb)，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫(xiě)了。

3 開(kāi)關(guān)電源輸出之后，接LDO濾波

這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。 任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線。

對(duì)減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問(wèn)題。有專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)電源PCB 工程師，對(duì)于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級(jí)濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專(zhuān)門(mén)的研究，簡(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C或RC，或串聯(lián)電感。

4 在二極管上并電容C或RC

二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100 Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC，其取值要經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話，可以采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開(kāi)關(guān)，有很多書(shū)專(zhuān)門(mén)介紹。

5 二極管后接電感(EMI濾波)

這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實(shí)際的要求。比較簡(jiǎn)單的做法，不再詳細(xì)解釋。