電源紋波的產生與測試

電源紋波是電源設計中常見的考量參數，也是電力工程師常見的測試項目。本文將討論電源紋波的產生以及測試。注意，文中提到的“電源紋波”特指直流電源輸出中的交流分量。由于直流輸出中的交流電壓未被完全抑制，直流電壓呈周期性變化。

電源紋波

下面我們將詳細描述各種類型的電源紋波。

來自開關電源的開關紋波

首先以降壓（buck）電路為例進行說明。降壓電路的開關器件以特定頻率導通或關斷。當器件開關時會產生與開關周期一致的開關紋波。開關紋波的頻率范圍通常為幾十 kHz 至幾 MHz （參見圖 1）。

圖1: 降壓電路中產生的開關紋波

來自開關電源的高頻紋波

由于電路中寄生電感和電容的影響，實際中的開關電源還會隨著開關管的導通和截止瞬間產生高頻開關噪聲（參見圖2）。開關噪聲的頻率高于開關頻率；其幅值與寄生參數和 PCB 布局有較大關聯。

圖 2：實際開關電源產生的高頻開關噪聲

負載變化引入的紋波

在某些應用場景中，負載電流會快速變化。電流的劇烈變化會導致輸出電壓的波動（參見圖 3）。

圖3: 負載跳變引起的輸出電壓波動

很多實際應用都對電源紋波有嚴格的要求。例如，射頻 (RF) 電路、高速時鐘和一些高速接口對開關紋波以及全帶寬的紋波都有嚴格要求。

測量電源紋波

示波器是測量紋波最常用的儀器。選擇示波器時有兩個主要考量因素：

帶寬選擇:選擇在所需范圍內工作的示波器。例如，要測量500mHz 的紋波，就不能使用 100mHz 示波器來測試并生成數據。

探頭類型: 常見的探頭類型包括電壓探頭、同軸電纜和差分探頭（見圖4）。

圖4: 常見探頭類型

本文將重點介紹如何通過電壓探頭和同軸電纜進行測試。

電壓探頭必須經過事先校準。無衰減 1倍探頭的輸入阻抗可以忽略。當示波器內部阻抗為1MΩ時，總輸入阻抗也為1MΩ（參見圖 5 ）。

圖5: 1倍探頭的阻抗特性

高阻抗 10倍探頭的輸入阻抗為 9MΩ，當示波器內部輸入阻抗為 1MΩ時，總輸入阻抗為 10MΩ（參見圖 6 ）。 如果采用 10 倍探頭，信號通過阻抗匹配后有 10 倍的衰減；而衰減比越高，信噪比越低。由于紋波屬于小信號，用1倍探頭無需阻抗匹配，信號沒有失真，會更加適合。

圖6: 10倍探頭的阻抗特性

測試方法也同樣重要。示波器探頭的地線就相當于一個小電感，它產生的失真振鈴將會影響測試結果。通常我們建議采用最小環法進行測試。如果無法使用示波器的最小環，也可以用焊錫絲代替。 測試時，探頭應直接放在電容兩端，以盡量減小測試電路（參見圖7）。對于開關紋波測試，建議將示波器的帶寬限制在 20mHz，以盡量降低測試技術和探頭的影響。

圖7: 直接放置在電容兩端的探頭

我們還建議測試開關紋波的累積值，用以驗證電源的穩定性，并確保無振蕩。有些負載對高頻噪聲有特殊的要求，需要在全帶寬范圍內進行測試。一般推薦使用同軸電纜進行測試。因為相比同軸電纜，最小環測試的接地阻抗和測試環路仍然偏大。

同軸電纜是有極性的。將同軸電纜焊接到輸出電容的正負端可以產生更真實的波形（參見圖8）。

圖 8：將同軸電纜焊接到輸出電容的正負端

對于需要在更高和更低溫度下測試紋波的高可靠性產品，同軸電纜更加理想，它可以與為 IC 供電的設備放在一起，尤其是放在高溫或低溫箱中時，不會因纜線過長而導致測試結果失真。

結論

本文中回顧了測量電源紋波的基本方法，并探討了如何使用電壓探頭和同軸電纜進行測試。對于要求嚴苛的開關模式設計、一般開關紋波應用以及需要在全帶寬范圍內提供適當紋波值的應用來說，電源紋波的產生與測試至關重要。

審核編輯：湯梓紅