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[讨论] 如何测量电源文波呢?喜欢的过来讨论一下。

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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-11-6 09:44:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
电源纹波测试在电源质量检测中是很重要的一项参数,但是怎么准确的测量电源纹波却成了工程师心中的一道难题,这里分享一下ti提供的如何正确测量电路文波的方法,算是抛砖引玉了,你们在实际电源设计中,是如何测量电源的文波的,一起分享吧。

精确地测量电源纹波本身就是一门艺术。

在图 1 所示的示例中,一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。
他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针;
他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均臵于电源变压器和开关元件附近;
他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。

QQ截图20181106093814.png

该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中,存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、信号电压和电流波形,其中包括耦合自电源变压器的磁场,耦合自开关节点的电场,以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。

首先,通常使用带宽限制来规定纹波,以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们应该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次,通过取掉探针“帽”,并构成一个拾波器(如图 2所示),我们可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围,并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度,从而进一步减少拾波。

QQ截图20181106093953.png

最后,在隔离电源中,会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降,从而表现为纹波。要防止这一问题的出现,我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外,将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器,其在不影响差分电压测量的同时,还减少了共模电流引起的测量误差。


图 2 显示了该完全相同电路的纹波电压,其使用了改进的测量方法。这样,高频峰值就被真正地消除了。


实际上,集成到系统中以后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感可能存在于布线中,抑或只有蚀刻存在于 PWB 上。另外,在芯片周围总是会存在额外的旁路电容,它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器,进一步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下,电流短时流经 15 nH 电感和 10μF 旁路电容的一英寸导体时,该滤波器的截止频率为 400 kHz。这种情况下,就意味着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下,该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下,从而有可能大大降低纹波。经验丰富的工程师应该能够找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。






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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-11-6 10:09:01 | 显示全部楼层
不错的分享,我也跟着凑个热闹吧。要测量电源文波,就要先了解何谓电源文波,所谓电源的纹波就是指电源输出电压的波动。电源性能的最直观的表现是电源纹波。
如果是开关电源,输出纹波是有规律的摆动,摆动的频率等于开关频率。
纹波的形成是因为电流流过输出电容在电容的ESR上所引起的压降,开关电源中不断地有脉动的电流流经电容,所以它的纹波的频率等于开关频率。
这里需要注意的是纹波和噪声的区别,不要把纹波和噪声混为一谈啊。下面就看一下,哪个是纹波,哪个是噪声。
脉动的电压波动上叠加了细细的“针针”,这是开关电源开关信号所引起的开关噪音。因此,准确地说,电源的输出波动实际上有两个部分组成,纹波与噪音。
QQ截图20181106095839.png
电源的输出波动的分解
纹波的形成是因为脉动的电流流过输出电容,然后在电容的ESR上所形成的压降,所以要想消灭纹波是不可能的,只能是尽可能地去减小。
而叠加在纹波上的噪音却是有机会得到改善的,在开关电源中,开关管引起的开关噪音会叠加到输出电压上,然后因为其频率很多,很难被滤波器滤除,所以容易扩散至整个PCB板子,引起EMC问题。
通过上面的知识,下面来看一下,如何正确地测量电源的输出电压的纹波?
纹波电压的形成与脉动电流和电容的ESR相关,所以在测试时需要分别测试不同负载电流下的纹波电压,这是基于不同的脉动电流的考量。最需要的注意的是不要人为地增加ESR,所以测试时需要在输出电容的两端就近测量,否则路径会额外增加ESR值。
正确测量纹波的姿态是使用纹波帽,如图所示示意图,这样可以保证测量路径最短,引入的噪音最少。
                                                                               简易高效的纹波测量方法
如果,手头条件有限,没有纹波帽咋办?其实很简单,可以自制。在密集测量时,还可以使用上图的方法,将自制的纹波帽直接焊到PCB板上。





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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-11-6 10:41:48 | 显示全部楼层

RE: 如何测量电源文波呢?喜欢的过来讨论一下。

不错的分享,我也跟着凑凑热闹。

首先了解一下纹波的定义,所谓电源的纹波就是指电源输出电压的波动。电源性能的最直观的表现是电源纹波。

如果是开关电源,输出纹波是有规律的摆动,摆动的频率等于开关频率。纹波的形成是因为电流流过输出电容在电容的ESR上所引起的压降,开关电源中不断地有脉动的电流流经电容,所以它的纹波的频率等于开关频率。

还要注意一点的就是,纹波与噪音的区别。

脉动的电压波动上叠加了细细的“针针”,这是开关电源开关信号所引起的开关噪音。因此,准确地说,电源的输出波动实际上有两个部分组成,纹波与噪音。具体见下图

QQ截图20181106095839.png

电源的输出波动的分解

纹波的形成是因为脉动的电流流过输出电容,然后在电容的ESR上所形成的压降,所以要想消灭纹波是不可能的,只能是尽可能地去减小。

叠加在纹波上的噪音却是有机会得到改善的,在开关电源中,开关管引起的开关噪音会叠加到输出电压上,然后因为其频率很多,很难被滤波器滤除,所以容易扩散至整个PCB板子,引起EMC问题。





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发表于 2018-11-6 21:21:27 | 显示全部楼层
纹波测量主要是接地,,,
示波器要在交流档直接测量所叠加的交流信号

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是啊,还是你总结的到位。呵呵。  详情 回复 发表于 2018-11-7 09:57


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 楼主| 发表于 2018-11-7 09:57:47 | 显示全部楼层
qwqwqw2088 发表于 2018-11-6 21:21
纹波测量主要是接地,,,
示波器要在交流档直接测量所叠加的交流信号

是啊,还是你总结的到位。呵呵。


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发表于 2018-11-7 10:00:17 | 显示全部楼层
纹波测量主要是接地

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是啊,呵呵,我再补充几点儿额 正确的测量方法   1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz,高端产品还有200MHz带宽限制的选择),目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量,尽量保证测量  详情 回复 发表于 2018-11-7 10:05


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 楼主| 发表于 2018-11-7 10:05:24 | 显示全部楼层
damiaa 发表于 2018-11-7 10:00
纹波测量主要是接地

是啊,呵呵,我再补充几点儿额

正确的测量方法

  1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz,高端产品还有200MHz带宽限制的选择),目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量,尽量保证测量的准确性。

  2)设置耦合方式为交流耦合,方便测量(以更小档位来仔细观测纹波,不关心直流电平).

  3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长),尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针,可以拆除探头的接地线和外壳,露出探头地壳,自制接地线缠绕在探头地壳上,保证接地线长度小于1cm。

  4)示波器地悬空,只通过探头地与测试信号的参考点共地,不要通过其他方式与测试设备共地,这样会给纹波测量引入很大的地噪声。例如:当示波器和其他仪器共插线板时,其他仪器的开关可能通过接地线给测试带来噪声干扰。

  其中第3条是关键中的关键。接地线过长,其电感效应将给测量系统引入额外的噪声。


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一粒金砂(中级)

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发表于 2018-11-7 10:10:47 | 显示全部楼层
好像对仪器也有要求的,

对仪器的要求

  示波器参数要求:支持带宽限制功能:一般示波器都支持20MHz带宽限制,如:SDS1102CM。

  探头要求:为了使接地线尽量短,尽量使用探头的原装测试短针,若无原装测试短针,则须自制短接地线:去除探头接地线套,用金属丝自行绕制接地短线,推荐五类线中铜丝,强度适中(还是有些偏软,有更好的请推荐)。其他候选有焊锡丝、刻刀。选择1X无衰减档位,一般无源探头在1X档位时,其带宽限制在6MHz/10MHz带宽,如此在前端可有效滤除高频噪声的干扰,减小纹波测量影响。

说实话,自己做产品真没好好测量过纹波的。别人的产品,倒是老测量纹波,尤其是DC-DC产品,结果发现买的dc-dc纹波好大啊,还不如自己做了呢。

点评

你的做法好不地道啊,呵呵,自己的就不好好测啊,别人的要求就好高啊,不过我们原来遇见的一家一起做设计的公司就是的,他家要求我们的设备接入他们设备的部分就要信号啦还有电源上的噪声啦都超级小,他们  详情 回复 发表于 2018-11-8 11:14


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 楼主| 发表于 2018-11-8 11:14:19 | 显示全部楼层
电容器 发表于 2018-11-7 10:10
好像对仪器也有要求的,

对仪器的要求

  示波器参数要求:支持带宽限制功能:一般示波器 ...

你的做法好不地道啊,呵呵,自己的就不好好测啊,别人的要求就好高啊,不过我们原来遇见的一家一起做设计的公司就是的,他家要求我们的设备接入他们设备的部分就要信号啦还有电源上的噪声啦都超级小,他们输出给我们的信号就精度范围就超级大。


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