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紋波的測試分析

1、概述

紋波測試是每個測試工程師避不開的話題，目的就是評估電源電壓的輸出質(zhì)量。通常規(guī)定電源紋波最大不能超過電源電壓的5%，即5V的電源只能上下波動0.25V，如果此時紋波過大造成電壓波動超過0.25V，那么就會造成器件邏輯錯誤進(jìn)而程序不能正常工作。干凈的電源是電路穩(wěn)定工作的前提，為確保電源供應(yīng)的質(zhì)量，如何正確的測試紋波顯得尤為重要

2、紋波來源

    我們期待DC-DC電源的輸出為一個恒定的電壓，實(shí)際上輸出電壓是不斷變化的，電源紋波主要來源于DC-DC電源的開關(guān)器件，當(dāng)開關(guān)器件以一定頻率開通和閉合時，在輸出電容上就產(chǎn)生了同頻率的開關(guān)紋波，開關(guān)紋波的頻率一般在百KHz到MHz之間。

圖：由電源內(nèi)部開關(guān)產(chǎn)生的紋波

圖：紋波和噪聲的區(qū)別

3、基本概念

紋波測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性主要受測試環(huán)境的影響，包括示波器、測試線纜、測試條件等。要想搞清楚如何搭配才是最優(yōu)解，要先了解一些基礎(chǔ)的概念。

什么是阻抗匹配？

對于所有的信號，我們關(guān)心的是它的傳播速度有多快和感受到的阻抗是多少，阻抗的定義為元件兩端的電壓與電流之比。把信號在前進(jìn)中的每一步中感受到的阻抗稱為瞬時阻抗。由于信號在阻抗突變而引起的反射會導(dǎo)致信號失真或者質(zhì)量變差。所以只要信號遇到瞬時阻抗突變，就會發(fā)生反射，這可能發(fā)生在線的末端，或者互連拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生改變的任何地方。因此我們可以在傳輸線的終端或始端進(jìn)行阻抗匹配以保證信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。

示波器的輸入阻抗為什么是50Ω和1MΩ？

50Ω是線纜的傳輸功率、傳輸損耗以及制造成本的一個最佳平衡點(diǎn)。所以大多數(shù)高速信號都會采用50Ω特性阻抗系統(tǒng)，形成標(biāo)準(zhǔn)并沿用至今，成為使用最廣泛的一種阻抗標(biāo)準(zhǔn)。因此示波器的50Ω輸入阻抗是用來匹配外部的傳輸線。

那豈不是50Ω的匹配比1MΩ的匹配要好，那還要1MΩ阻抗干什么呢？這就涉及到了示波器的負(fù)載效應(yīng)問題。先以示波器在1MΩ阻抗模式為例，其大致可以等效成是1MΩ和一個十幾pF的電容并聯(lián)在一起的形式。

其中電容是我們并不想要但是又不可避免的寄生參數(shù)。在DC和較低頻時，電容如同開路，電阻占主導(dǎo)地位。1M歐的高阻抗輸入，可將負(fù)載影響最小，使被測電路到示波器的電壓轉(zhuǎn)移最大，測量電壓更準(zhǔn)確。而當(dāng)頻率增加時，電容會成為主要的負(fù)載，1M歐就不再適合高頻信號的測量。同時50歐的輸入阻抗情況下電容效應(yīng)不那么重要，并且大部分高速信號采樣50歐特性阻抗，因此在測試高速信號時一般采用50歐輸入阻抗。

1MΩ阻抗和50Ω阻抗檔位的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是不同的，1MΩ檔位的出發(fā)點(diǎn)是為了讓示波器擁有較小的負(fù)載效應(yīng)，可以“安安靜靜的”做個旁觀者。而50Ω檔位則是為了消除傳輸線上的信號反射，將傳輸線影響降到最低。選擇何種阻抗檔位，需要根據(jù)實(shí)際測量情況而定：基本按照經(jīng)驗(yàn)50歐姆匹配主要用于高頻測量。1M歐姆主要用于低頻測量。

測試探頭選擇無源探頭還是同軸電纜？

無源探頭選擇1X檔時，信號是沒經(jīng)衰減進(jìn)入示波器的。而選擇10X檔時，信號是經(jīng)過衰減到1/10再到示波器進(jìn)行放大10倍，在這個過程中會出現(xiàn)信號的失真。所以我們在使用無源探頭時要使用1X檔。無源探頭的接地方式有兩種，我們在測試紋波噪聲時盡量減小接地環(huán)路，所以要使用接地環(huán)的方式，而不能使用鱷魚夾。

一般來說無源探頭的帶寬比較低，不適合電源噪聲百M(fèi)Hz級別的測試，同時電源內(nèi)阻一般都在幾百毫歐以內(nèi)，選擇高阻1MHz的無源探頭會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，因此可以選擇同軸線來替代無源探頭，減小因反射帶來的測量誤差，同時可以更方便的進(jìn)行測試，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖 ：示波器探頭示例

圖：同軸線 “三劍客”

4、測試環(huán)境搭建

4、1 使用無源探頭進(jìn)行測量

   大部分無源探頭的輸入阻抗為1M歐，為了阻抗匹配示波器的輸入阻抗也要設(shè)置為1M歐。示波器可以是DC耦合或AC耦合。兩者區(qū)別主要在于DC耦合需要設(shè)置offset。但是有的示波器不支持設(shè)置很大的偏移量，因此只能采取AC耦合的方式進(jìn)行測量。連接原理如下圖：

4、2  使用同軸線進(jìn)行測量

      上文提到過使用無源探頭帶寬比較低且容易產(chǎn)生反射，使用同軸線方案更適合紋波、噪聲測量。

4、2、1 使用AC耦合方式測量

      使用AC耦合方式測量時，需要將示波器輸入阻抗設(shè)置為50Ω。同時在同軸線中串入一個50Ω電阻。如下圖所示：

  但是某些低帶寬的示波器中AC耦合只有1MΩ，這樣與前面的50Ω同軸線不匹配，因此需要在示波器的BNC端口在并接50Ω電阻用于阻抗匹配，如下圖所示：

4、2、2  使用DC耦合方式測量

使用DC耦合方式同樣設(shè)置示波器的輸入阻抗為50Ω，連接方式如下：

如上面所說，有的示波器不支持設(shè)置很大的偏移量，為了獲得更大的示波器動態(tài)電壓范圍，可以添加隔直電容。電容的大小決定著低頻截止范圍，如100uf對應(yīng)低頻截止頻率31.7Hz，1uf對應(yīng)3.17KHz，10nf對應(yīng)318KHz。如果需要考慮50Hz工頻噪聲，需要選擇100uf隔直電容，如果開關(guān)電源有較高的開關(guān)頻率可適當(dāng)選擇較小的電容。

隔直電容可能不方便串入同軸線中，可以做一個隔直電容PCB,上面焊接電容，pcb的兩端分別連接同軸線和示波器。

總結(jié)：通過上面的對比發(fā)現(xiàn)，使用同軸線纜+示波器50歐輸入阻抗的測試方法是最準(zhǔn)確的。但是目前我們使用的示波器帶寬比較低，通常只有1M歐的輸入阻抗，所以只能使用同軸電纜+50歐端接的方式進(jìn)行測量。

5、測試實(shí)例

5、1 測試點(diǎn)的選擇

   通常我們紋波的測量點(diǎn)會選擇在電源的輸出電容上。以TPS62130為例，將測試探頭/同軸電纜焊接在電容C3處。

5、2 測試條件的設(shè)置

輸入電壓的選擇？

通常電源輸入電壓有一個范圍，TPS62130的輸入電壓范圍為3-17V，額定輸入電壓為12V，一般我們在測試紋波時，可能只測試額定輸入電壓下的紋波，實(shí)際上電源在工作時，其輸入電壓是不斷變化的，在12V上下波動，但是我們在測試的時候要考慮極端情況下電源的反應(yīng)，所以應(yīng)該測試輸入在3V、12V、17下的紋波情況。

輸出電流的選擇？

假設(shè)我們設(shè)計(jì)的額定電流為3A，那么我們實(shí)際在電源輸出端的拉載電流應(yīng)該為0~3A，不應(yīng)該僅測試電源在空載或額定負(fù)載下的紋波，有的電源在不同輸出電流的工作模式是不同的，因此輸出紋波差異很大，測試用例的設(shè)計(jì)應(yīng)該覆蓋全電流點(diǎn)。通常我們以額定電流的0%，25%，50%，75%，100%進(jìn)行測試，即0A、0.75A、1.5A、2.25A和3A進(jìn)行測試。

綜上，測試用例如下：

（測試工程師看了流淚，嘩嘩的流）這種測試用例的設(shè)計(jì)并不符合所有硬件產(chǎn)品的實(shí)際需求，但是最全面的，但是會消耗大量的工時，在實(shí)際使用中還是靈活變通。

     一般我們在示波器中添加測量項(xiàng)包括：max（最大值）、min（最小值）、P-P（峰峰值），以峰峰值作為紋波最終的測量結(jié)果。

5、3 測試數(shù)據(jù)

按照上文的設(shè)置，使用同軸電纜焊接在輸出電容上，電子負(fù)載正負(fù)極線也接在輸出電容上，測試波形如下：

（ch1：輸入電壓波形；ch2：輸出電壓波形；ch3：開關(guān)結(jié)點(diǎn)波形；ch4：電感電流波形）

更為嚴(yán)格的要求還會使用余暉模式，來捕捉長時間的紋波的變化