如何用示波器测量电源纹波

如何用示波器测量电源纹波

今天的电子电路（比如手机、服务器等领域）的切换速度、信号频率比以前更高，同时芯片的封装和信号摆幅却越来越小，对噪声更加敏感。因此，今天的电路设计者们比以前会更关心电源噪声的影响。实时示波器是用来进行电源噪声测量的一种常用工具，但是如果使用方法不对可能会带来完全错误的测量结果，笔者在和用户交流过程中发现很多用户的测试方法不尽正确，所以把电源纹波噪声测试中需要注意的一些问题做一下总结，供大家参考。

由于电源噪声带宽很宽，所以很多人会选择示波器做电源噪声测量。但是不能忽略的是，实时宽带数字示波器以及其探头都有其固有的噪声。如果要测量的噪声与示波器和探头的噪声在相同数量级，那么要进行精确测量将是非常困难的一件事情。

+ ——> probe——> Attenuator——> Amplifier——> A/Dconverter

GND——> ProbeNoiseNoise

示波器的主要噪声来源于２个方面：探头的噪声和示波器本身的噪声。

所有的实时示波器都使用衰减器来调整垂直量程。设置衰减以后示波器本身的噪声会被放大。比如，当不用衰减器时，示波器的基本量程是５ｍＶ/格，假设此时示波器此时的底噪声是500mvRMS。当把量程改成５０ｍＶ/格时，示波器会在输入电路中增加一个１０：１的衰减器。为了显示正确的电压信号，示波器最后显示时会把信号再放大１０倍显示。因此此时示波器的底噪声看起来就有５ｍＶＲＭＳ了。因此，测量噪声时应尽可能使用示波器最灵敏的量程档。但是示波器在最灵敏档下通常不具有足够的偏置范围可以把被测直流电压拉到示波器屏幕中心范围进行测试，因此通常需要利用示波器的ＡＣ耦合能把直流电平滤掉只测量ＡＣ成分。

基于同样的原因，在电源测量中也应该尽量使用１：１的探头而不是示波器标配的１０：１的探头。否则示波器的噪声也会被放大。

探头带来的噪声是在在衰减器前面耦合进来的，因此无论衰减比设置多少，探头贡献的噪声都是一定的。但是，在某些不正确的使用方法下，探头可能会带来额外的噪声，一个典型的例子就是使用长地线。为了方便测试，示波器的的无源探头通常会使用１５ｃｍ左右的鳄鱼夹形式的长地线，但是这对于电源纹波的测试却是不适用的，特别是板上存在开关电源的场合。由于开关电源的切换会在空间产生大量的电磁辐射，而示波器探头的长地线又恰恰相当于一个天线，所以会从空间把大的电磁干扰引入测量电路。一个简单的验证方法就是把地线和探头前端接在一起，靠近被测电路（不直接接触）就可能在示波器上看到比较大的开关噪声。因此测量过程中应该使用尽可能短的地线。

为了减小开关噪声的影响，另一种比较好的办法是使用差分探头，通常差分探头相比单端探头会有更高的共模抑制比，对于抑制共模噪声会有比较好的效果。

最后要注意的一点是，通常电源测试都规定了某个频率范围内的纹波和噪声，比如２０ＭＨｚ以内的，而一般示波器的带宽都大于这个要求，因此测试时可以打开示波器的带宽限

制能，这对于减小高频噪声也会有比较好的效果。

总结一下，对于电源纹波噪声的测试，通常需要注意以下几点：

１、尽量使用示波器最灵敏的量程档；

２、尽量使用ＡＣ耦合功能；

３、尽量使用小衰减比的探头；

４、尽量使用探头的短地线；

５、尽量使用差分探头；

６、根据需要使用带宽限制功能；

1）电路里的纹波噪声是电路指标，相同的电路不同的应用就会有不同的要求，没有统一的规定。用示波器测试，就直接接上，但开关电源的纹波噪声会随着负载的变化而变化，所以，首先要确定负载的前提下，测量纹波噪声值才有意义。一个开关DC/DC变换器，输出的电压纹波的大小与带不带负载有一定的关系，一般带负载时会变大一些，不带负载时小一些。这与DC/DC变换器电路的稳压闭环特性以及输出滤波时间常数因负载变大而减小有关。

2）用示波器测出来的电压波形，是DC/DC变换器输出所有正弦分量的合成波形，可以用来估计纹波电压的大小，不能定量测量。而实际的纹波测量，过去用电子管交流毫伏表来测量，现在可以用数字万用表交流档来测量，但都存在带宽限制产生误差问题。因为用上述仪表测量时，由于带宽有限不能将所有正弦分量综合有效值测出来，特别是高频正弦分量衰减很大，而一般DC/DC变换器输出主要成分是高频谐波分量，因此实际测量误差很大。

3）现在一般使用示波器测量出DC/DC变换器输出尖峰毛刺的峰值或峰-峰值来表示纹波，更具有实际参考意义。

如何准确地测量电源纹波

转自eet-china

测量电源纹波本身有一定技巧性。图1给出了一个不当使用示波器测量电源纹波的实例。在这个例子中出现了几个错误，首先是使用了接地线很长的示波器探针；其二是让由探针和接地线形成的回路靠近率变压器和测量工具开关元件；最后是允许在示波器探针和输出电容之间形成额外的电感。其结果带来的问题是在测得的纹波波形中携带了拾取的高频成分。

在电源中有许多很容易耦合到探针中的高速的、大电压和电流信号波形，其中包括来自

变压器的磁场耦合、来自开关节点的电场耦合、以及由变压器交绕(interwinding)电容产生的共模电流。

图1：不当的纹波测量得到糟糕的结果。

采用正确的测量技术可切实改善纹波测量的结果。首先，通常会规定纹波的带宽上限，以避免拾取超出纹波带宽上限的高频噪声，应该给用于测量的示波器设定合适的带宽上限。其次，可以通过摘掉探针的“帽子”来去掉接地长引线形成的天线。如图2所示，我们把一段短线绕在探针接地引线周围，并使之与电源地相连接。这样做附带的好处是缩短暴露在电源附近高强度电磁辐射中的探针长度，从而进一步减少高频拾取。

最后，在隔离电源中，真正的共模电流是由在探针接地引线中流动的电流产生的，这就使得在电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。要抑制这个纹波，需要在电源设计中仔细考虑共模滤波问题。

此外，把把示波器引线绕在铁芯上可减小这个电流，因为这样会形成一个不影响差分电压测量、但可降低由共模电流产生的测量误差的共模电感。图2显示了采用改进测量技术对同一电路得到的纹波电压测量结果。可以看到，高频尖刺已几乎消除。

图2：四种简单改进极大地改善了测量结果。

事实上，当电源集成到系统中之后，电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其它部分之间几乎总会存在一定量的电感。电感可能是由导线或在印刷线路板上的蚀刻线形成的，而在芯片附近总会有测量工具的使用作为电源负载的附加旁路电容，这两者形成低通滤波效应并进一步降低电源纹波和/或高频噪声。

举一个极端的例子，由电感量为15nH的长一英寸的短线和电容量10μF的旁路电容构成的滤波器，其截止频率为400kHz。该实例意味着能大幅减少高频噪声。该滤波器的截止频率比电源纹波频率低很多倍，可以切实降低纹波。聪明的工程师应该在测试过程中设法利用它。