纹波和噪声测试很烦人？解决DC/DC开关电源测试只需一招-电路图讲解-电子技术方案

随着开关频率和开关速度不断的提升，在使用开关型的DC/DC电源的时候，要特别关注输入输出电源的纹波。但是测量DC/DC电源的纹波和噪声没有一个行业标准。不同厂家的测试环境以及测试标准都不太一样，导致很多人很迷惑。这篇文章提供了一个简单可靠的电源纹波的测试方法，这种测试方法的可复现性很好，并且不需要带宽很高的示波器和探头。

 

这篇文章适合用于测量开关型DC/DC转换器的输入以及输出纹波，包括电荷泵，但是不适用于低压差稳压器（LDO）。

 

纹波和噪声Ripple and Noise

纹波和噪声指的是在DC/DC转换器输入输出电容上的交流耦合信号，在测试中，一般我们会将这个信号带宽限制到20MHz。

 

纹波和噪声主要由以下四项组成。

 

 

--电源纹波（PWM frequency RIPPLE)，和PWM频率相同的。这个纹波表示了输入和输出电容上的充放电过程，在最大负载时，这个纹波达到最大值。这种电压的波动可以通过加大输入输出电容、加大输出电感来减小。

 

--开关噪声(SWITCHING NOISE)，这种噪声发生在电源的开关时刻。虽然开关噪声的重复周期和PWM频率一致，但是振荡频率一般都很高。开关噪声新的振幅一般取决于电源芯片、电路寄生参数以及PCB布板。

 

--工频噪声(Recfified main RIPPLE)，一般是交流供电频率的两倍。我国供电频率是50Hz，所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器。大小取决于整流电路的类型。对于半波整流，50Hz；对于全波整流，是100Hz；对于三相全波整流，300Hz。

 

--非周期性的随机噪声(NOISE)，和AC电源开关频率均无关。

 

由于现在AC-DC部分大多采用模块开关电源，后级DC/DC电路工频噪声比较小；随机噪声无法量化。所以一般不考虑这两项的影响，典型的开关电源纹波噪声如下图所示。我们需要测量的是纹波以及开关噪声之和。

 

 

接下来描述了在错误以及正确测量电源纹波噪声的两种方式。

 

下图是一个错误的测量方式，因为示波器的地线会拾取辐射噪声。示波器的地线和信号探头形成的环路形成了一个天线。环路面积越大，在电源PWM切换时，示波器接受到的开关噪声就越大。

 

 

在测量中，如何减小拾取的辐射噪声？最简单可靠的方法是采用一个接地环来测量电源纹波以及噪声。为了进一步的降低测试误差，可以将示波器探头和地线直接放在电源输出电容得两端。如下图所示，采用这种方法，在信号探头和地线之间的环路面积很小，所以测量中带来误差的噪声几乎可以忽略。

 

因为现在的示波器探头都附带有接地环，所以，不再详细描述如何做一个接地环了。原文里有相关描述，见文末链接。

 

实测案例（Example）

下图描述了采用两个不同的测试方法得到的Vout波形。电源电路是一个BUCK转换电路（AAT1121），工作在1.5MHz的开关频率，输出电压为1.8V/250mA。示波器采用全带宽测试。可以看到伴随着PWM开关，在绿色的trace2有一个很高的噪音以及振铃，但是trace3上却没有明显的噪声。通过对比可以看到，测试方法的选择对结果的准确性很关键。

 

下图是采用20MHz带宽限制测试到的电源的纹波以及噪声。示波器20MHz的带宽限制是为了防止无源探头带入的共模噪声。可以看到AAT1121BUCK转换器的纹波噪声为10mVp-p，几乎看不到开关噪声。这主要是归功于BUCK控制器的低噪声设计，良好的PCB设计，以及恰当的测试方法。

 

 

总结

下面总结一下正确的测量DC/DC开关电源纹波和噪音的方法。

 

1)限制示波器带宽为20MHz(大多中低端示波器档位限制在20MHz，高端产品还有200MHz带宽限制的选择)，目的是避免数字电路的高频噪声影响纹波测量，尽量保证测量的准确性。

 

2)设置耦合方式为交流耦合，方便测量(以更小档位来仔细观测纹波，不关心直流电平)。

 

3)保证探头接地尽量短(测量纹波动辄上百mV的主要原因就是接地线太长)，尽量使用探头自带的原装测试短针。如果没有测试短针，可以拆除探头的接地线和外壳，露出探头地壳，自制接地线缠绕在探头地壳上，保证接地线长度小于1cm。

   

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机架式（ToR）交换机、路由器、服务器和存储器等各种当今高速通信设备是数据中心最前沿、功能最强大和最精心设计的主角。这些设备包含的电路令人印象深刻，多个端口实现25Gbps以上的速度，还有复杂的开关专用集成电路（ASIC）和复杂的信号调理设备。

 

容易忽视的是，对于每个高速端口（小型可插拔接口（SFP）、四通道小型可插拔接口（QSFP）、串行连接小型计算机系统接口（SAS）等），有四至九个与该端口相关的低速信号需要管理。这意味着，对于高端口计数系统（例如48端口ToR开关），可能有超过400个低速信号。这会用到很多电线！

 

为了管理所有这些信号，典型的设计实施涉及高引脚数现场可编程门阵列（FPGA）、I2C多路复用器、移位寄存器、LED驱动器和额外的印刷电路板（PCB）层。这些方法难以实施，电路板很拥挤，并且不易扩展——直到现在，都是如此。TI的FPC401四端口控制器为这一设计挑战提供了更简单的解决方案。

 

获得的系统使电路板信号路径减少了100倍，FPGA引脚数量减少了100倍，消除了许多占用空间的分立元件，并且整体简化了端口管理——见图1。

 

图1：传统解决方案与基于FPC401的解决方案

 

 

FPC401将多达56个端口的所有低速信号集成到单个快速I2C总线（高达1MHz）或串行外设接口（SPI）总线（高达10 MHz）中，大大降低了线路复杂性并简化了设计可扩展性。FPC401四个端口中的每一个端口都具有三个输入、四个输出和一个I2C主机，从而实现对下游模块的完全控制。有关SFP和QSFP连接的示例，请参见图2。

图2：用于典型应用的FPC401简化原理图

 

每个输入具有中断生成功能，可向主机报告重要事件，例如未插入的模块。有多个通用输出，以及两个专用输出，具有先进的LED驱动能力，可控制闪烁和亮度。每个端口的I2C主机独立工作，可以同时读写所有端口。FPC401具有简化系统软件的功能，例如定期预取模块数据和处理模块I2C协议故障。最好的部分是，FPC401足够小，可以安装在SFP或QSFP封装下方，在电路板的底部。

 

可下载的C函数库使FPC401可以集成到您的系统中成为一个无缝的过程。FPC401EVM 评估板可让您使用自己的主机控制器或板载MSP430?微控制器测试FPC401的功能。

 

在高速应用中可能很容易忘记许多低速信号，通过FPC401的帮助，您可以快速实现这部分电路，将您的焦点转向设计中更重要的高速部分。

 

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