如何测量波纹以获得更好的设计结果

1.前言

测试开关电源包括许多不同的测试，其中之一是输出电压峰峰值纹波。输出电压纹波是直流 (DC) 输出电压的交流 (AC) 分量。它是由多种因素共同产生的，包括输出电容的等效串联电阻 (ESR)、输出电容两端的电压降、占空比和开关频率。

因为它会影响电源轨的整体电压容差，所以峰峰值输出电压纹波是许多处理器、现场可编程门阵列 (FPGA)、专用集成电路 (ASIC) 和系统上的目标规范- 芯片 (SoC) 数据表和设计指南。

测量纹波的方式会影响我们满足设计要求的能力。

2.纹波测试方法

图 1 显示了典型的输出电压纹波探头设置。

图 1：输出电压纹波探头设置

使用夹式探头进行探测显示纹波增加，这可能部分是地线环路拾取噪声的结果，如图 2 所示。

图 2：输出电压纹波探头，带有一个夹式探头和完全延伸的地线，从附近的开关节点拾取噪声

使用尾纤方法进行探测可以改善纹波，即使尖端再次靠近开关节点，如图 3 所示。接地回路要短得多；因此噪声拾取不那么严重。

图 3：使用尾纤法的输出电压纹波探头；探头地与尾纤接触，尾纤连接到电路板地

如图 4 所示，使用同轴电缆方法可以进一步改善结果。将编织铜屏蔽层直接焊接在电路板接地上可进一步减少接地回路。

图 4：使用同轴方法的输出电压纹波探头

图 5 显示了同轴电缆的特写。

图 5：同轴电缆特写：外塑料护套 (a)；编织铜屏蔽层（接地）（b）；内部介电绝缘体（c）；和铜芯 (V OUT ) (d)

另一种类似的测量方法是使用如图 6 所示的探头插孔。外部护套是直接连接到电路板上的地，同时允许探头尖端连接到电压测试点。

图 6：探头插孔

在所有这些方法中，使用差分探头可能是准确测量纹波的最佳方法。它可以消除接地回路噪声拾取误差，特别是在将其他电子设备连接到同一板接地时（例如电子负载和万用表）。

图 7 显示了板上差分探头连接的两个测试点。

图 7：差分探头测试点 CPU_VSEN+ 和 CPU_VSEN-

如果我们试图满足严格的输出电压调节要求并具有较低的峰峰值电压纹波目标，那么如何测量电路板上的纹波可能会成就我们，也可能会毁了我们。优化我们的探测方法将帮助我们进行测量并满足规格要求。在TPS40304EVM-353等开关稳压器评估模块 (EVM) 上练习和比较本文中讨论的任何探测方法。此外，请阅读应用报告“降压开关稳压器的输出纹波电压”，了解如何在 WEBENCH ® Power Designer 中计算和报告纹波电压。

3. 如何获取正确纹波的信号

为了观察产生的正确信号，消除探测方法的寄生效应是相当大的。但是，我们在下面声明应将示波器输入设置为 50 欧姆。尽管 RG-58 同轴电缆是 50 ohm 传输线，但我们将使用 50 ohm 终端加载电源。转换器电源的输出阻抗非常低，远低于符号发生器中的 50 欧姆电源。为什么我们不希望使用 1 Mohm 示波器输入设置？

的确，使用 50 欧姆终端确实在电源输出端增加了 50 欧姆的负载，但它也使整个传输路径保持相对较低的阻抗。使用 1 Meg 设置，我们更有可能通过天线效应通过电缆本身拾取噪声。

如果我们确信 50 欧姆阻抗不会影响信号（对于电源输出，我们绝对应该如此），那么我们将在 50 欧姆端接时获得更清晰的波形。

但是，我们确实需要使用高阻抗探头来测量仅具有较小驱动能力的信号（例如 FB 或 COMP 节点），因为额外的 50 欧姆接地会改变答案。

PS > 对于更高的输出电压或开关节点，我们可能需要查看示波器的满量程范围，因为通常 50 欧姆设置意味着 1:1 转换（大多数商业探头包括 10:1 或 20:1 分压器所以这不是问题）。

如果我们需要测量比允许的更高的电压，我们可以转到 1 Meg 设置，并接受我们更有可能获得一点噪声拾取，或者我们仍然可以通过以下方式保持路径相对较低的阻抗通过将一个 450 欧姆电阻与我们的信号串联，制作一个内部 50 欧姆的 10:1 分压器。