如何准确测量电源的核心指标纹波

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如何准确测量电源的核心指标纹波

纹波是电源的核心指标，但如何准确测量纹波确实一个被广泛忽略的问题。也许您认为不就是示波器交流耦合，然后把探头点在电源上嘛？事实远非如此，本文为您呈现纹波测试的正确方式。
一、探头的选择
在十几年前，很多公司的电源测试标准中都有明确的规定，要求使用1:1 探头进行测量。因为这种探头不会损失示波器的测量档位，比如示波器原来最小档位是2mv/div，使用1:1探头就仍然可以通过这个档位测量纹波，即可以准确测量出10mv以内的纹波。但是由于这种探头的带宽只能做到6MHz左右，所以随着开关电源频率的提升，这种探头便不再适合使用。
2 n5 ]8 j0 ~3 O目前常用的电源测量探头是10:1无源探头、100:1无源探头、高压差分探头。探头的选择上首先要考虑电压范围，被测电压不要超出探头允许的范围。比如说一般的10:1的无源探头，其低频耐压值是300VRMS，且随着频率的升高而降低，如图1所示。使用之前要测量信号的电压范围在此范围内，否者将无法进行正确的测量。
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图1 10:1无源探头输入额定电压曲线
9 d: @  j- X$ A3 @除此之外，还需要考虑探头衰减比对底噪的放大，从而判断信号的真实有效部分。采用探头测量时的示意图如图2所示，其中Gn1是虚拟的一个噪声源，表示示波器的本低噪声，而Gn2表示探头的本底噪声。由于信号经过了探头的衰减，为了还原真实信号的大小，示波器内部会对信号再进一步放大，而此时Gn1和Gn2也就跟着被放大，其放大倍数就是衰减比的倒数。所以衰减倍数越大，其测量系统的本底噪声也就被放大的越多。
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图2 底噪放大示意图
例如使用500：1高压差分探头进行测量，示波器本底噪声是1mv，探头噪声为为1mv，这样累加噪声是2mv，再经过500倍的放大，其本底噪声就达到了1V。此时就需要考虑，1V的噪声是否在允许范围内。如果您的被测系统纹波本身也就只有1V或者更小，那1V的噪声显然是不允许的。
. X6 y; Y* P  H8 j二、接地方式的选择
9 s$ a% C, ?+ ]传统的使用习惯上，示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。如图3所示，这种接地方式，确实是一种简单方便的接地方式，但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。
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图3 接地夹线示意图
) {+ W8 w8 O3 _# y由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。其等效电路如图4所示：
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+ @  m8 b& E- V! }3 H8 f- d9 @* k图4 接地夹线等效电路图
: y& u; p2 n9 U2 L+ P* Q' |& Q但是这还不是接地夹线最致命的。开关电源，随着开关管的开合，不仅仅产生了电源纹波，同时也产生了很多电磁干扰，通过空间进行辐射，而这部分辐射就会被接地夹线与探头形成的线圈给接收到，再加上示波器是高阻输入的，就导致这部分信号对测量的干扰非常可观。电磁干扰虽然也可以说是电源的一项参数，但是这部分信号是无法通过示波器探头来进行准确测量的，测量出来的值是毫无意义的。

图5 电磁辐射示意图
( T3 w9 ]) U9 e2 A) V因为以上两点，所以在测试电源纹波时，是不应该使用接地夹线的，而应该使用接地弹簧。如图6所示，这样既降低了环路电感从而保证了较好的幅频特性，又降低了电磁辐射的引入。

图6 接地弹簧示意图
6 k4 _* v* B4 ?/ W如果是使用的高压差分探头，则应该将两根输入线双绞在一起，如图7所示，用以降低环路面积。
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图7 高压差分探头输入线双绞示意图
三、滤波器的应用
, Z0 `" @8 ^% A  Z3 V0 V' ?上面讲了两种情况，是能够有效的增强测量结果真实性的方法。但是有些情况却无法按这两点来操作。比如利用高压差分探头进行测量，一般有两个衰减比可以选择：50:1（MAX 130V）、500:1（MAX 1300V）。若测量的电压是200V，这时便发现只能选用500:1的探头衰减比。而按第一部分内容中的计算可知，本底噪声有1V左右，这个底噪就有些偏大了，会影响最终的结果。再比如有些测量情况下不方便固定接地弹簧，而必须使用接地夹线进行固定，但是这样又会引入大量的电磁辐射干扰。
这时候就需要使用滤波器了。噪声和电磁辐射的干扰也和正常信号一样，也是分频段的。如果我们把一部分频段的噪声滤除掉，就可以大大降低底噪和辐射干扰。但是我们又不希望关心的信号被滤除掉，这就需要使用低通滤波器了。
4 I0 z; [: f! K* h+ P: o示波器都会有一个20M带宽限制的功能，就是为了降低底噪和辐射干扰，将关心的信号从一堆混乱的信号中摘出来。但是随着开关电源频率的升高，频率的多样化，一个固定的20M带宽限制显然已经不再够用了。为此ZDS4000系列示波器集成了一个强大的数字滤波器功能，其通带频率可以任意设置，最高到200MHz。图8和图9是滤波器对底噪和电磁辐射干扰的抑制效果。
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5 Z: Z7 I& |: m. S6 N3 q  Z图8 数字滤波器对底噪的降低
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图9 数字滤波器对电磁辐射干扰的抑制
  b7 C; k" k8 M! k: B您在测量时，只需要预估一下自己想要测量的频率范围，然后设置好数字滤波器，就可以使你的示波器拥有更低的底噪，使得测量更加准确。
- F, I9 ~6 i# d  I四、结果的分析
. O8 j. X8 n1 j& ]2 k测量出电源纹波后，ZDS4000示波器还具有很多后期数据分析功能如峰峰值统计、最大值统计、最小值统计等。还有强大的FFT功能。我们可以通过FFT功能，对得到的纹波波形进行频率上的分析，这样可以准确的知道每个频点上的噪声大小。这样就可以更加准确的得到由开关引起的纹波大小，如图10所示：

/ S" D7 D9 l" r; Y! [# M, g图10 FFT对纹波结果进行分析
五、总结
) t% s1 m" [+ ]$ ?! u) I0 w' l本文中指出了一些测量电源纹波的一些注意事项，归纳如下：
4 v$ @- ~4 |( i5 E9 T" T1、探头的选择，需要结合探头的耐压范围和被测信号的电压范围来选取，同时还要考虑探头衰减比对本底噪声的放大作用。
1 I# w0 D) L' I- J2、接地方式的选择，应该尽可能的降低接地回路，如使用接地弹簧。这样既能改善幅频曲线，又能降低电磁辐射的干扰。
3、灵活的使用数字滤波器，将我们需要的信号从“纷纷扰扰”的噪声中提取出来，使得结构更加精确。
8 X1 w; \0 p. W3 w' T4、通过FFT的后期分析功能，可以更加准确的测量开关频率上的噪声大小。
以上就是本文的主要内容。ZDS4000示波器具有灵活的数字滤波器和强大的FFT功能，可以完美使用于大多数电源测量场景。同时ZDS4000示波器还具有强大的环路分析功能，可以对电源做进一步的环路分析，使电源兼顾稳定与快速响应。

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