简单可靠的电源纹波的测试方法
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。
1、无源探头dc耦合测试
使用无源探头dc耦合测试，示波器内部设置为dc耦合，耦合阻抗为1mohm，此时无源探头的地线接主板地，信号线接待测电源信号。这种测量方法可以测到除dc以外的电源噪声纹波。 如图4所示，当采用普通的鳄鱼夹探头时，由于地和待测信号之间的环路太大，而探头探测点靠近高速运行的ic芯片，近场辐射较大，会有很多emi噪声辐射到探头回路中，使测试的数据不准确。为了改善这种情况，推荐用无源探头测试纹波时，使用右图中的探头，将地信号缠绕在信号引脚上，相当于在地和信号之间存在一个环路电感，对高频信号相当于高阻，有效抑制由于辐射产生的高频噪声。更多时候，建议测试者采用第三种测试方法，将一个漆包线绕在探头上，然后将漆包线的焊接到主板地网络上，移动探头去测试每一路电源纹波噪声。同时无源探头要求尽量采用1:1的探头，杜绝使用1:10的探头。
无源探头地线两种处理方法：
对于示波器，若垂直刻度为xv/div，示波器垂直方向为10div，满量程为10xv，示波器采样ad为8位，则量化误差为10x/256 v。例如一个1v电源，噪声纹波为50mv，如果要显示这个信号，需要设置垂直刻度为200mv/div，此时量化误差为7.8mv，如果把直流1v通过offset去掉，只显示纹波噪声信号，垂直刻度设置为10mv即可，此时的量化误差为0.4mv。 使用无源探头dc耦合测试，示波器设置如下： （1）1mohm端接匹配； （2）dc耦合； （3）全带宽； （4）offset设置为电源电压；
2、无源探头ac耦合测试
使用无源探头dc耦合需要设置offset，对于电源电压不稳定的情况，offset设置不合理，会导致屏幕上显示的信号超出量程，此时选择ac耦合，使用内置的搁置电路来滤去直流分量。对于大多数的示波器，会有如下参数，设置为ac耦合，此时测量的为10hz以上的噪声纹波。 示波器两种耦合方式频点
使用无源探头ac耦合测试，设置如下： （1）1mohm端接匹配； （2）ac耦合； （3）全带宽； （4）offset设置为0；
3、 同轴线外部隔直电容dc50欧耦合测试
由于无源探头的带宽较低，而电源开关噪声一般都在百mhz以上，同时电源内阻一般在几百毫欧以内，选择高阻1mohm的无源探头对于高频会产生反射现象，因此可以选择用同轴线来代替无源探头，此时示波器端接阻抗设置为50欧，与同轴线阻抗相匹配，根据传输线理论，电源噪声没有反射，此时认为测量结果最准确。 利用同轴线的测量方法，最准确的是采用dc50欧，但是大部分示波器在dc50欧时offset最大电压为1v，无法满足大部分电源的测量要求，而示波器内部端接阻抗为50欧时，不支持ac耦合，因此需要外置一个ac电容，如图6所示，当串联电容值为10uf时，根据表1可以看到，此时可以准确测试到2khz以上的纹波噪声信号。 同轴线dc50测量图
4、同轴线ac1m欧耦合测试
由于从pmu出来的电源纹波噪声大多集中在1mhz以内，如果采用同轴线dc50外置隔直电容测量方法，低频噪声分量损失较为严重，因此改用图7所示的测量方法，利用同轴线传输信号，示波器设置为ac1m，这样虽然存在反射，但是反射信号经过较长cable线折返传输后，影响是有限的，示波器在r2上采集电压值可以认为仍然可以被参考。
同轴线ac1m测量图 为了避免反射，在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电阻，使示波器输入阻抗和cable线特征阻抗匹配。
同轴线ac1m测量改进图
5、差分探头外置电容dc耦合测试
由于示波器的探头地和机壳地通过一个小电容接在一起，而示波器的机壳地又通过三角插头和大地接在一起，在实验室里，几乎所有的设备地都和大地接在一起，示波器内部地线接法如图9所示，因此上面介绍的两种方法都无法解决地干扰问题，为了解决这个问题，需要引入浮地示波器或者差分探头。
示波器内部地线接法
如图10所示，为差分接法，由于差分探头为有源探头，外置差动放大器，可以将待测信号通过差分方式接入，使示波器的地和待测件地隔离开，达到浮地效果。但是差分探头在示波器内部只能dc50欧耦合，而offset最大一般不超过1v，因此需要在差分探头上串联隔直电容。使用差分探头测量时关键是探头的cmrr要足够大，这样才能有效抑制共模噪声。
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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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。
1、无源探头dc耦合测试
使用无源探头dc耦合测试，示波器内部设置为dc耦合，耦合阻抗为1mohm，此时无源探头的地线接主板地，信号线接待测电源信号。这种测量方法可以测到除dc以外的电源噪声纹波。 如图4所示，当采用普通的鳄鱼夹探头时，由于地和待测信号之间的环路太大，而探头探测点靠近高速运行的ic芯片，近场辐射较大，会有很多emi噪声辐射到探头回路中，使测试的数据不准确。为了改善这种情况，推荐用无源探头测试纹波时，使用右图中的探头，将地信号缠绕在信号引脚上，相当于在地和信号之间存在一个环路电感，对高频信号相当于高阻，有效抑制由于辐射产生的高频噪声。更多时候，建议测试者采用第三种测试方法，将一个漆包线绕在探头上，然后将漆包线的焊接到主板地网络上，移动探头去测试每一路电源纹波噪声。同时无源探头要求尽量采用1:1的探头，杜绝使用1:10的探头。
无源探头地线两种处理方法：
对于示波器，若垂直刻度为xv/div，示波器垂直方向为10div，满量程为10xv，示波器采样ad为8位，则量化误差为10x/256 v。例如一个1v电源，噪声纹波为50mv，如果要显示这个信号，需要设置垂直刻度为200mv/div，此时量化误差为7.8mv，如果把直流1v通过offset去掉，只显示纹波噪声信号，垂直刻度设置为10mv即可，此时的量化误差为0.4mv。 使用无源探头dc耦合测试，示波器设置如下： （1）1mohm端接匹配； （2）dc耦合； （3）全带宽； （4）offset设置为电源电压；
2、无源探头ac耦合测试
使用无源探头dc耦合需要设置offset，对于电源电压不稳定的情况，offset设置不合理，会导致屏幕上显示的信号超出量程，此时选择ac耦合，使用内置的搁置电路来滤去直流分量。对于大多数的示波器，会有如下参数，设置为ac耦合，此时测量的为10hz以上的噪声纹波。 示波器两种耦合方式频点
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3、 同轴线外部隔直电容dc50欧耦合测试
由于无源探头的带宽较低，而电源开关噪声一般都在百mhz以上，同时电源内阻一般在几百毫欧以内，选择高阻1mohm的无源探头对于高频会产生反射现象，因此可以选择用同轴线来代替无源探头，此时示波器端接阻抗设置为50欧，与同轴线阻抗相匹配，根据传输线理论，电源噪声没有反射，此时认为测量结果最准确。 利用同轴线的测量方法，最准确的是采用dc50欧，但是大部分示波器在dc50欧时offset最大电压为1v，无法满足大部分电源的测量要求，而示波器内部端接阻抗为50欧时，不支持ac耦合，因此需要外置一个ac电容，如图6所示，当串联电容值为10uf时，根据表1可以看到，此时可以准确测试到2khz以上的纹波噪声信号。 同轴线dc50测量图
4、同轴线ac1m欧耦合测试
由于从pmu出来的电源纹波噪声大多集中在1mhz以内，如果采用同轴线dc50外置隔直电容测量方法，低频噪声分量损失较为严重，因此改用图7所示的测量方法，利用同轴线传输信号，示波器设置为ac1m，这样虽然存在反射，但是反射信号经过较长cable线折返传输后，影响是有限的，示波器在r2上采集电压值可以认为仍然可以被参考。
同轴线ac1m测量图 为了避免反射，在同轴线接到示波器的接口处端接一个50ohm电阻，使示波器输入阻抗和cable线特征阻抗匹配。
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5、差分探头外置电容dc耦合测试
由于示波器的探头地和机壳地通过一个小电容接在一起，而示波器的机壳地又通过三角插头和大地接在一起，在实验室里，几乎所有的设备地都和大地接在一起，示波器内部地线接法如图9所示，因此上面介绍的两种方法都无法解决地干扰问题，为了解决这个问题，需要引入浮地示波器或者差分探头。
示波器内部地线接法
如图10所示，为差分接法，由于差分探头为有源探头，外置差动放大器，可以将待测信号通过差分方式接入，使示波器的地和待测件地隔离开，达到浮地效果。但是差分探头在示波器内部只能dc50欧耦合，而offset最大一般不超过1v，因此需要在差分探头上串联隔直电容。使用差分探头测量时关键是探头的cmrr要足够大，这样才能有效抑制共模噪声。
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。
二、三阶巴特沃斯滤波器电路设计—电路精选（47）
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