示波器测量电源纹波时的注意事项

时间:2018-03-29 10:44来源:ZLG致远电子

摘要: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。

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。

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。

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。


 
图1  10:1无源探头输入额定电压曲线
 
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。

 
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。

接地方式的选择
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。


 
图3  接地夹线示意图
 
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:

 
图4  接地夹线等效电路图
 
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
 
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
 
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。

 
图7  高压差分探头输入线双绞示意图
 
滤波器的应用
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。

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。


 
图8  数字滤波器对底噪的降低
 
 
图9  数字滤波器对电磁辐射干扰的抑制
 
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。

结果的分析
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:


 
图10  FFT对纹波结果进行分析
 
这里指出了一些测量电源纹波的一些注意事项,归纳如下:
1、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。
2、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。
4、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。

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。

我要投稿
近期活动

Copyright 2008-2018 21dianyuan.com All Rights Reserved 备案许可证号为:津ICP备10002348