本篇文章主要分享电源纹波和电源噪声的区别,目录和结构如下:

1.前言

2.纹波

3.噪声

4.纹波和噪声

5.测试方法

6.如何降低纹波和噪声

整篇文章阅读预计8分钟。

 

1.前言

大三在技术二面CVTE时,面试官提出了一个问题,你们在学校是怎么测试纹波的?我记得那时候我的回答是,我们在实验室测纹波是用示波器探头加在输出端,耦合方式选为AC,带宽限制在20MHz进行测试。

 

面试官又问我,为什么要带宽限制在20MHz?以当时在大学的学习深度,没有想过这样的问题,所以这一问,答的并不好。

 

后来去CVTE实习,我看到他们在测试纹波时示波器前面有一块小板子,板子上有几个黄色的小电容,一端用金色的同轴电缆和示波器相连,另一端是和被测试的电源相接。

 

当时看到这套搭配非常好奇,怎么和在学校的方法有些区别呢?于是就向他们请教,这个地方单独接的小板子是干啥的?为什么不直接将示波器接在单板上面呢?他们当时给我的答案是:“用来滤波的”。

 

参加工作后,经常会测试电源纹波和噪声,在视频图像中,给Sensor的电源如果纹波超过Sensor要求,图像上就会有抖动的横纹。在FPGA系统中,电源纹波波动超过100mV,BANK的工作可能会受到影响。

DDR的电源如果纹波不满足要求,数据的采样和传输可能出现错误。

所以,电源的纹波是单板开发中必须关注的一个指标,在原理图,器件的选型,PCB的布局走线都会融入尽可能降低电源纹波这样的设计理念。

 

而就在前不久,工作中发生的一件事情,让我产生了写这篇文章的想法。

 

那天刚好看到同事在测试电源纹波,他用了一个很长的引线将电源输出接出来,然后接在示波器探头上,地线也用了很长的线接出来。我看到这个测试方式有些不对,就过去跟他说,你测试电源纹波的时候,这个引线太长了测试会不准确的,最好探头能靠近一些,然后带宽选在20MHz。


就在我尝试着去查看他示波器配置时,并调节带宽限制,那个同事跟我说,我在测试噪声,这个带宽要用全带宽。我说你不是测试电源的纹波吗?他说不是的,他们在测试这一路电源的噪声。

 

电源纹波和噪声到底有什么区别?怎么测量?我想用这篇文章来梳理一下。

 

2.纹波

纹波(ripple),最常见的定义是指,在直流电源上,不希望出现的交流电压变动量,一般是因为直流电压是利用交流电压转换后产生,其中输出电压中的交流成分无法完全消除所造成。(来源于维基百科)

 

即电源纹波是指在直流信号上的交流干扰信号,这个干扰信号波动的频率和开关频率相同。

 

典型的DC-DC电源输出电压波形如下:

 

上面的图片来源于MP16xx芯片输出电压波形,从手册中可以看出,波浪式的周期和开关频率一致。波浪的幅值即为纹波的峰峰值,所以,在测试DC-DC电源纹波时,比较关注的是输出纹波Vpp。

 

3.噪声

针对噪声的定义比较丰富,但是对电源噪声的定义我查了一些资料,目前其实对电源纹波和电源噪声的定义没有一个共同的协会制定。在《开关电源噪声的形成及抑制方法》这篇论文中,发现了一个用于电子系统噪声定义:

 

噪声是指在电子电路设计中没有安排的信号 ,这些信号通常由环境中自然因素或人为因素产生的电磁能量造成。影响电子电路正常工作的噪声称为“干扰”,而能产生一定能量的任何物质都可以称为“噪声源”。

 

即电源噪声可以理解为电源模块工作在产品系统中,由系统内部和外部“干扰”引起的非连续的,无规律的电压或者电流尖峰。

 

接着刚刚MP16xx电源芯片的规格书,可以看到在输出电压波形上,箭头1和箭头2处的尖峰。从波形图上可以看出:

 

1所示的尖峰,是SW由开通向关断转变的时刻;

 

2所示的尖峰,是SW由关断向开通转变的时刻;

 

再对比左右两幅图可以看出,左边的1和2波动尖峰比较大,右边的1和2波动的尖峰幅值较小。而造成这种区别的原因是负载电流不一样。

 

 

 

4.纹波和噪声

上面的内容是把电压纹波和电压噪声进行了分开定义和说明,但是在实际测试的波形中,如果使用500mV/div的分辨率来看输出电压,看到的是稳定的直流电压,如果用5mV/div分分辨率来看输出电源,看到的是既有开关频率的纹波,也有非连续,无规律的噪声。

 

 

 

从上面可以图看出,噪声的幅值相对纹波要小。(不是绝对的,噪声幅值完全可以比纹波大)

 

如果将纹波和噪声进行统一后,可以得到下面的结论:开关电源输出电源纹波和噪声主要有四部分构成,如下图所示:

 

电源纹波,频率和开关频率相同。

 

开关噪声,在SW开通和关断的时刻叠加在纹波上。

 

工频噪声,典型的为50Hz

 

随机噪声,非周期性的干扰

 

考虑到DC-DC变换器输入电压是DC,随机噪声无法进行准确的测量计算,DC-DC变换器在输出电压指标测量时,主要以电源纹波和开关噪声为主。

 

综上可知,纹波和噪声的区别如下:

 

指标

频率特性

产生原因

纹波

开关频率相同,几百K~几MHz

斩波电源固有属性,电流对负载电容充放电

噪声

频率不固定,非周期,非连续,几十MHz以上

寄生电阻,电感,电容及开关开通和关断引起(di/dt)所导致

 

5.测试方法

电源纹波测试时,需要注意的事项如下:

 

示波器使用AC耦合

 

示波器带宽限制20MHz

 

把示波器探头的地夹线去掉,换上弹簧接地环,用探针靠接电源的输出端,接地环就近连接在裸露的地上,观察输出的波形

 

如下所示:

常见错误的接法如下:

从下面两幅实测的图片可以看出,示波器接地夹的环路越大,测量的噪声就会越大,而纹波的大小基本不变。接地环路太大会导致纹波和噪声叠加后的Vpp完全超过所想测量的纹波电压。

 

地线夹太长测试结果:

去掉接地夹,使用接地环测试:

从上面的结果也可以看出,如果测试方正确,开关电源内部的噪声的幅值其实不会超过纹波的幅值,如果测试方法不对,纹波的幅值将会被淹没在噪声中。

 

电源噪声测试时,需要注意的事项如下:

 

示波器使用AC耦合

 

示波器带宽不做限制

 

把示波器探头的地夹线去掉,换上弹簧接地环,用探针靠接电源的输出端,接地环就近连接在裸露的地上,观察输出的波形

 

所以,我的那位同事,如果他测试系统时关注纹波的话,带宽应该限制在20MHz,如果关注的是噪声的话,带宽不做限制是对的,但是使用了较长的引线这种接法是存在问题的。会测出单板上其他系统耦合过来的噪声。

 

6.降低纹波和噪声的方法

从上面对纹波和噪声的来源分析,对降低纹波和噪声的方法可以来源的基础上进行针对性的改善。

 

比如,在降低纹波时,可以采取的措施有:

 

增大开关频率

 

降低电容ESR

 

增加输出电容幅值

 

增大电感

 

不同容值的电容并联

 

在降低噪声时,可以采取的措施有:

 

减小环路面积

 

动态响应更好的芯片

 

优化PCB布局走线

 

增加RC-snubber 吸收电路

 

高频噪声源和敏感源分区设计

 

以上内容为这篇文章的全部内容,总结一下,DC-DC变换器在测量电源纹波和电源噪声时,要注意区分示波器带宽和接地线使用,如果你在增大电感,其实是在降低纹波,如果你在减小环路面积,其实是在降低噪声!当然,任何一项优化的好,电源输出的质量整体上也会不错。