开关电源纹波标准与规范测试说明

  浏览量2024-02-15 作者: 轨道交通

  以20M示波器带宽为限制标准,电压设为PK-PK(也有测有效值的),去除示波器控头上的夹子与地线(因为这个本身的夹子与地线会形成环路,像一个天线接收杂讯,引入一些不必要的杂讯),使用接地环(不使用接地环也可以,不过要考虑其产生的误差),在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容,用示波器的探针直接来测试;如果示波器探头不是非间接接触输出点,应该用双绞线同轴电缆方式测量

  纹波是叠加在直流信号上的交流干扰信号,是电源测试中的一个很重要的标准。尤其是作特殊用途的电源,如激光器电源,纹波则是其致命要害之一。所以,电源纹波的测试就显得极为重要。

  电源纹波的测量方法大致分为两种:一种是电压信号测量法;另一钟是电流信号测量法。

  一般对于恒压源或纹波性能要求不大的恒流源,都可以用电压信号测量法。而对于纹波性能要求高的恒流源则最好用电流信号测量法。

  电压信号测量纹波是指,用示波器测量叠加在直流电压信号上的交流纹波电压信号。对于恒压源,测试可以直接用电压探头测量输出到负载上的电压信号。对于恒流源的测试,则一般是利用电压探头,测量采样电阻两头的电压波形。整个测试过程中,示波器的设置是能否采样到真实信号的关键。

  所用的仪器是:配有电压测量探头的TDS1012B示波器。测量之前有必要进行如下设置。

  耦合:即通道耦合方式的选择。纹波是叠加在直流信号上的交流信号,所以,我们要测试纹波信号就可以去掉直流信号,直接测量所叠加的交流信号就好。

  探头:首先选用电压探头的方式。进而选择探头的衰减比例。必须与实际所用探头的衰减比例保持一致,这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如,所用电压探头放在×10档,则此时,这里的探头的选项也必须设置为×10档。

  信源:实际所选择的通道,如,准备用CH1通道来测试,则此处就应选择为CH1。

  触发方式:如果是在实时地观察纹波信号,则选择自动触发。示波器会自动跟随实际所测信号的变化,并显示。这样一个时间段,你也可通过设置测量按钮,实时地显示你所需要的测量的数值。但是,如果你想要捕捉某次测量时的信号波形,则需要将触发方式设置为正常触发。此时,还需要设置触发电平的大小。一般当你知道你所测量的信号峰值时,将触发电平设置为所测信号峰值的1/3处。如果不知道,则触发电平可设为的稍微小一些。

  采样长度的设置决定能否采样到所需要的数据。当所设置的采样长度过大时,就会漏掉实际信号中的高频成分;当所设置的采样长度过小时,就只能看到所测实际信号的局部,同样没办法得到真实的实际信号。所以,在实际测量时,需来回旋转按钮,仔仔细细地观察,直到所显示波形是真实的完整的波形。

  可根据实际要设定。如,要求测量纹波的P-P值,则最优选择峰值 测量法。采样次数也可结合实际需要设定,这与采样频率及采样长度有关。

  通过选择对应通道的峰值测量,示波器就可以帮你把所需要的数据及 时显示出来。同时也可以再一次进行选择对应通道的频率、最大值、均方根值等。

  通过对示波器做到合理设置和规范的操作,一定能得到所需的纹波信号。但是,在测量过程中一定要注意防止其它信号对于示波器探头自身的干扰,以免所测量的信号不够真实。

  通过电流信号测量法测量纹波值是指,测量叠加在直流电流信号上的交流纹波电流信号。对于纹波指标要求比较高的恒流源,即要求纹波比较小的恒流源,采用电流信号直接测量法能够获得更加真实纹波信号。与电压测量法不同的是,这里还用到了电流探头。比如,继续用上述的示波器,再加一个电流放大器()和一个电流探头。此时,只需用电流探头夹住输出到负载的电流信号,就能够直接进行电流测量法来测量输出电流的纹波信号了。与电压测量法一样,整个测试过程中,示波器及电流放大器的设置是能否采样到真实信号的关键。

  其实,用这种方法测量时,示波器的基本设置及用法与上述相同。不同的是,通道设置中探头的设置不一样。在这里,需要选则电流探头的方式。然后,选择探头的比例,必须与放大器所设置的这个比例相同,这样从示波器所读取数才是真实的数据。比如,所用放大器的这个比例设置为5A/V,则此时示波器的这一项也需设置为5A/V。至于电流放大器的耦合方式,当示波器的通道耦合已经选择为交流耦合时,则这里选择交流或直流都可以。必须要格外注意的是,用这种方法时,需先打开示波器,然后再打开电流放大器。且,记得在使用前对电流探头先消磁。

  在图 1 所示的示例中,一名初级工程师完全错误地使用了一台示波器。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有多余电感。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,这中间还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。

  利用正确的测量办法能够大大地改善测得纹波结果。首先,通常使用带宽限制来规定纹波,以防止拾取并非真正存在的高频噪声。我们该为用于测量的示波器设定正确的带宽限制。其次,通过取掉探针“帽”,并构成一个拾波器(如图 2 所示),我们大家可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围,并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度,从而进一步减少拾波。

  最后,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,我们就需要非常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。图 2 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。

  实际上,集成到系统中以后,电源纹波性能甚至会更好。在电源和系统其他组件之间几乎总是会存在一些电感。这种电感有几率存在于布线中,抑或只有蚀刻存在于 PWB 上。另外,在芯片周围总是会存在额外的旁路电容,它们就是电源的负载。这二者共同构成一个低通滤波器,逐步降低了电源纹波和/或高频噪声。在极端情况下,电流短时流经 15 nH 电感和 10 F 旁路电容的一英寸导体时,该滤波器的截止频率为 400 kHz。这种情况下,就从另一方面代表着高频噪声将会得到极大降低。许多情况下,该滤波器的截止频率会在电源纹波频率以下,从而有可能大幅度的降低纹波。经验比较丰富的工程师应该能找到在其测试过程中如何运用这种方法的途径。

  理想状态时,电源输出的直流电压应为一固定值, 但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的,或多或少会有剩余的交流成分,这种包含周期性与随机性成分的杂波信号我们叫做纹波。较大的纹波会影响CPU与GPU正常工作,这个数值越小越好。

  Intel在ATX12V 2.31规范中规定+12V输出纹波不允许超出120毫伏,+3.3V与+5V纹波不允许超出50毫伏,这个量对于大多品牌电源是非常宽裕的,笔者测试过的绝大多数电源都不会超过这个数值,但几乎所有山寨电源在满载时纹波都会超标,内部用料设计可想而知。

  其实,我们可完全把电源的纹波图案和声音的波谱联系到一起。当声音震动频率十分高时,往往会出现声音波谱杂乱甚至高低偏离十分明显的情况。这和电源纹波中的表现情况是相对一样的。

  电源每路输出负载的纹波值与该路的电流值有很大关系,一般电源在轻载下纹波是绝不会超标的,所以我们记录三种状态下的纹波:100%负载、+12V联合输出满载、+3.3V输出满载,+5V输出满载。在测试三路输出满载时,我们把其中一路按照铭牌标称满载,另外两路的电流均设定为2A。

  纹波测试结果其实不难看懂,上面两张图分别是高频与低频的截图,两种纹波值相加即为最终结果。请大家单击一张图放大,会发现图的最下面一行有两个数值,纵向分度值20.0mV,和横向分度值10.0us。我们只要关注mV这个数值,20.0mV代表Y轴网格每一格等于20mV,第一张图的波峰与波谷相隔大致一个网格,就从另一方面代表着10.0us的高频纹波峰-峰值大约是20mV*1=20mV。此外还需要注意代表低频的10.0ms,即右图,右图中除去毛刺后的高频纹波峰-峰值大约是1个网格即20.0mV。高频与低频相加即为该路输出的纹波值,两者相加为40mV,远远小于Intel规定的120mV,所以测试结果能说很优秀。

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