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地线要短——测试开关电源纹波时

文章出处:捷配电子市场网 发布时间: 2017/09/08 | 304 次阅读

  开关电源的纹波是指,叠加在开关电源输出电压上,频率与开关频率一致的交流量,其产生原因是开关电源的电流纹波作用在电容的ESR上。而噪声一般是指全带宽下输出电压上叠加的交流量。
  测量纹波、噪声,需要使用隔直板+同轴电缆,而隔直板上的电容容量需要根据开关频率进行确定。
  纹波测量:用同轴电缆从电源模块上引出输出,接到隔直板上,然后再通过同轴电缆接入示波器。示波器阻抗选择50欧姆,AC耦合,带宽限制在20MHz,然后进行测量与读数。测出的波形一般近似于三角波。
  噪声测量:将示波器的带宽限制取消,其余配置相同,然后进行测量与读数。
  我们在测试纹波的时候,希望能够测试准确,不希望其他频段的干扰引入导致测试数据异常。所以用同轴电缆或者探头测试纹波的时候,地线的处理都尤为关键,否则会通过地线引入不必要的噪声。


  在图所示的示例中,测试者犯了两个错误。他的第一个错误是使用了一支带长接地引线的示波器探针;他的第二个错误是将探针形成的环路和接地引线均置于电源变压器和开关元件附近;他的最后一个错误是允许示波器探针和输出电容之间存在多余电感。该问题在纹波波形中表现为高频拾取。在电源中,存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形,其中包括耦合自电源变压器的磁场,耦合自开关节点的电场,以及由变压器互绕电容产生的共模电流。
  DC/DC模块的电源纹波指标是一项很重要的参数。干净的电源是数字电路稳定工作的前提,也是模拟器件的各项参数的重要保障。为确定电源的质量,必须对DC/DC模块的输出纹波进行测量。但很多人测量得到的纹波值动辄上百mV,甚至几百mV,远远比器件手册提供的最大纹波值大,这主要是测量方法的不正确造成的。
  正确的测量方法
  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。


  4)示波器地悬空,只通过探头地与测试信号的参考点共地,不要通过其他方式与测试设备共地,这样会给纹波测量引入很大的地噪声。例如:当示波器和其他仪器共插线板时,其他仪器的开关可能通过接地线给测试带来噪声干扰。


  地线过长,导致测试结果明显不正确。
  探头的GND和信号两个探测点的距离也非常重要,当两点相距较远,会有很多EMI噪声辐射到探头的信号回路中(如下图所示),示波器观察的波形包括了其他信号分量,导致错误的测试结果。所以要尽量减小探头的信号与地的探测点间距,减小环路面积。


  在隔离电源中,会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。这就在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降,从而表现为纹波。要防止这一问题的出现,我们就需要特别注意电源设计的共模滤波。另外,将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器,其在不影响差分电压测量的同时,还减少了共模电流引起的测量误差。下图显示了该完全相同电路的纹波电压,其使用了改进的测量方法。这样,高频峰值就被真正地消除了。


  1.有条件的话使用隔直板+同轴电缆的配置,同轴电缆能很好的抑制空间中的辐射。
  2.单纯使用示波器测量的话,地线夹要尽可能短,并绕在探针上,即成环最小;有条件的话,将示波器引线缠绕在铁氧体磁芯上。
  3.最好直接测量电源模块的输出引脚。

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