電源測試之——精確測量電源紋波-電源網

1、電源測試之 精確測量電源紋波精確地測量電源紋波本身就是一門藝術。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤地使 用了一臺示波器。 他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針； 他的第二個錯誤是 將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近； 他的最后一個錯誤是允許示波 器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現為高頻拾取。在電源中，存在大 量可以很輕松地與探針耦合的高速、 大信號電壓和電流波形， 其中包括耦合自電源變壓器的磁場， 耦合自開關節(jié)點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。圖 1 ：錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果。利用正確的測量方法可以大

2、大地改善測得紋波結果。首先，通常使用帶寬限制來規(guī)定紋波，以防 止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限制。其次，通 過取掉探針 “帽 ”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地引線形成的天線。 將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍， 并將該接地連接至電源。 這樣做可以縮短暴露于電源附 近高電磁輻射的端頭長度，從而進一步減少拾波。最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連接點和示 波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們就需要特別注 意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧

3、體磁心周圍也有助于最小化這種電流。 這樣就形成了一個共模電感器， 其在不影響差分電壓測量的同時， 還減少了共模電流引起的測量 誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測量方法。這樣，高頻峰值就 被真正地消除了。圖 2 ：四個輕微的改動便極大地改善了測量結果。實際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統(tǒng)其他組件之間幾乎總是會 存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍 總是會存在額外的旁路電容，它們就是電源的負載。這二者共同構成一個低通濾波器，進一步降 低了電源紋波和 /或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經15

4、 nH 電感和 10 F 旁路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為400 kHz 。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經 驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法的途徑。精確地測量電源紋波本身就是一門藝術。在圖 1 所示的示例中，一名初級工程師完全錯誤 地使用了一臺示波器。 他的第一個錯誤是使用了一支帶長接地引線的示波器探針； 他的第二 個錯誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關元件附近； 他的最后一個錯 誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現

5、為高頻拾取。 在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號電壓和電流波形，其中包括耦 合自電源變壓器的磁場，耦合自開關節(jié)點的電場，以及由變壓器互繞電容產生的共模電流。圖 1 錯誤的紋波測量得到的較差的測量結果利用正確的測量方法可以大大地改善測得紋波結果。 首先， 通常使用帶寬限制來規(guī)定紋 波， 以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。 我們應該為用于測量的示波器設定正確的帶寬限 制。其次，通過取掉探針 “帽”，并構成一個拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長接地 引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點周圍，并將該接地連接至電源。這樣做 可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長度

6、，從而進一步減少拾波。最后，在隔離電源中，會產生大量流經探針接地連接點的共模電流。這就在電源接地連 接點和示波器接地連接點之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問題的出現，我們 就需要特別注意電源設計的共模濾波。 另外， 將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于 最小化這種電流。這樣就形成了一個共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時，還減少 了共模電流引起的測量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進的測 量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。圖 2 四個輕微的改動便極大地改善了測量結果實際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統(tǒng)其他組件之間幾 乎總

7、是會存在一些電感。 這種電感可能存在于布線中， 抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外， 在芯片周圍總是會存在額外的旁路電容， 它們就是電源的負載。 這二者共同構成一個低通濾 波器，進一步降低了電源紋波和 /或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時流經 15 nH 電感和 10 F旁 路電容的一英寸導體時，該濾波器的截止頻率為400 kHz 。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會在電源紋波頻率以下，從 而有可能大大降低紋波。 經驗豐富的工程師應該能夠找到在其測試過程中如何運用這種方法 的途徑。 電源輸出紋波簡介理想狀態(tài)時，電源輸出的直流電壓應為一固定值， 但是

8、很多時候它是通過交流電壓整 流、濾波后得來的，或多或少會有剩余的交流成分，這種包含周期性與隨機性成分的雜波信 號我們稱之為紋波。較大的紋波會影響 CPU 與 GPU 正常工作，這個數值越小越好。 判定紋波的標準Intel 在 ATX12V 2.31 規(guī)范中規(guī)定 +12V輸出紋波不得超過 120毫伏， +3.3V 與+5V紋波不得超過 50 毫伏，這個量對于大多品牌電源是非常寬裕的， 筆者測試 過的絕大多數電源都不會超過這個數值， 但幾乎所有山寨電源在滿載時紋波都會 超標，內部用料設計可想而知。其實，我們完全可以把電源的紋波圖案和聲音的波譜聯系到一起。當聲音震 動頻率十分高時，往往會出現聲音波譜

9、雜亂甚至高低偏離十分明顯的情況。這和 電源紋波中的表現情況是相對一樣的。Intel ATX12V 2.31 對電源紋波的規(guī)定 PBzone 輸出紋波測試設定電源每路輸出負載的紋波值與該路的電流值有很大關系， 一般電源在輕載下 紋波是絕不會超標的， 所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波： 100%負載、 +12V聯合輸 出滿載、 +3.3V輸出滿載， +5V輸出滿載。在測試三路輸出滿載時，我們把其中 一路按照銘牌標稱滿載，另外兩路的電流均設定為 2A。測試紋波使用的數字示波器+12V紋波記錄截圖紋波測試結果其實不難看懂，上面兩張圖分別是高頻與低頻的截圖，兩種紋 波值相加即為最終結果。請大家單擊一張圖放大，會發(fā)現圖的最下面一行有兩個 數值，縱向分度值20.0mV，和橫向分度值 10.0us 。我們只需要關注 mV這個數值， 20.0mV代表 Y軸 網格每一格等于 20mV，第一張圖的波峰與波谷相隔大致一個網格，就意味著 10.0us