用 500MHz 带宽的示波器对其开关电源输出 5V 信号的纹波进行测试时,发现纹波和噪声的峰峰值达到了 900 多 mV(如下图所示),而其开关电源标称的纹波的峰峰值<20mv。虽然用户电路板上后级还有 LDO 对开关电源的这个输出再进行稳压,但用户认为测得的这个结果过大,不太可信,希望找出问题所在。

 
问题分析
 
电源纹波测试过大的问题通常和使用的探头以及前端的连接方式有关。首先检查了用户探头的连接方式,发现其使用的是如下面左图所示的长的鳄鱼夹地线,而且接地点夹在了单板的固定螺钉上,整个地环路比较大。由于大的地环路会引入更多的开关电源造成的空间电磁辐射噪声以及地环路噪声,于是更换成如下面右图所示的短的接地弹簧针。
 
探头的 GND 和信号两个探测点的距离也非常重要,当两点相距较远,会有很多 EMI 噪声辐射到探头的信号回路中(如下图所示),示波器观察的波形包括了其他信号分量,导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距,减小环路面积。
 
 
 
 
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。下图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。
 
 
经过实际测试,发现测得的纹波噪声的峰峰值有很大改善,如下图所示。但纹波噪声的峰峰值仍然有 40 多 mV,和开关电源厂商标称的<20mV 仍有较大差异。
 
进一步检查用户使用的探头的型号,发现用户使用的是示波器标配的 10:1 的无源探头。如下图所示。
 
10:1 的探头会把被测信号衰减 10 倍再送入示波器,然后示波器再对被测信号进行 10 倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百 MHz,而且扩展了示波器的量程,但是对于小信号的测量不是特备有利。 如果被测信号幅度本身就小,再衰减 10 倍可能就淹没在示波器的底噪声里了,即使再做 10 倍的数学放大,对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头,比如 1:1 的探头。于是另外找了一个 1:1 无源探头,这种 1:1 的无源探头虽然带宽不高(通常几十 MHz),但衰减比小,对于小信号测试非常合适。下图是换用 1:1 的无源探头后,和 10:1 探头在不同带宽限制下的对比测试结果。可以看到,使用 1:1 探头并设置 20MHz 带宽限制后,测量到的纹波噪声的峰峰值只有不到 10mV,远远好过 10:1 探头的测试结果。从 1:1 探头的测试结果里可以看到清晰的纹波的波形,并且满足用户对于电源纹波噪声<20mV 的预期。另外,我们也可以看到,带宽限制对于噪声峰峰值也有一定的改善作用。
问题总结
 
这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得纹波噪声的测试结果大大改善。一般来说,影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个:
 
1、 前端连接线和地环路的长度:长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声,因此需要使用尽可能短的地线连接。
 
2、 探头的衰减比:大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱,甚至淹没在示波器底噪声里,所以应该尽量使用 1:1 衰减比的探头。
 
3、 带宽限制:很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的,设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波噪声测试场合使用 20MHz 的带宽限制,也有些芯片会要求测到 80MHz 或 200MHz。
 
4、 测量量程:通常会在小量程档下(比如 10mv/ 格或 20mv/ 格)进行电源纹波的测试。量程打得越大,示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限,在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量,所以很多时候会使用示波器的 AC 耦合功能把直流隔离掉再进行纹波噪声测试。
 
5、 输入阻抗:很多示波器有 50 欧姆和 1M 欧姆的输入阻抗选择,通常 50 欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到 1M 欧姆,只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为 50 欧姆输入阻抗。
 
在进行实际测试之前,一个比较好的习惯是先检查一下当前使用的设备和设置下的系统的底噪声。下面图中的 5 个波形分别是使用 500M 的 S 系列示波器在使用不同的探头和带宽设置下的底噪声结果。波形从上到下依次为:50 欧姆输入阻抗,1:1 探头,500MHz 带宽;1M 欧姆输入阻抗,1:1 探头,20MHz 带宽;1M 欧姆输入阻抗,1:1 探头,500MHz 带宽;1M 欧姆输入阻抗,10:1 探头,20MHz 带宽;1M 欧姆输入阻抗,10:1 探头,500MHz 带宽。其底噪声的峰峰值从不到 1mV 直到接近 30mV,可见测试中探头、带宽、输入阻抗设置的重要性。
 
如果手头实在没有合适的低衰减比的探头,也可以参考下图用 50 欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上,示波器设置为 50 欧姆输入阻抗;电缆的另一头剥开,屏蔽层焊接在被测电路地上,中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本,低衰减比,缺点是一致性不好,隔直电容参数及带宽不好控制。