【導(dǎo)讀】紋波是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)。指在額定輸出電壓、電流的情況下,輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓,是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。
諧波?紋波?噪聲?還傻傻分不清楚嗎!
紋波
紋波:是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)。指在額定輸出電壓、電流的情況下,輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓,是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。
噪聲
噪聲:對(duì)于電子線路中所標(biāo)稱的噪聲,可以概括地認(rèn)為,它是對(duì)目的信號(hào)以外的所有信號(hào)的一個(gè)總稱。最初人們把造成收音機(jī)這類音響設(shè)備所發(fā)出噪聲的那些電子信號(hào),稱為噪聲。但是,一些非目的的電子信號(hào)對(duì)電子線路造成的后果并非都和聲音有關(guān),因而,后來(lái)人們逐步擴(kuò)大了噪聲概念。例如,把造成視屏幕有白斑條紋的那些電子信號(hào)也稱為噪聲??赡芤哉f(shuō),電路中除目的的信號(hào)以外的一切信號(hào),不管它對(duì)電路是否造成影響,都可稱為噪聲。例如,電源電壓中的紋波或自激振蕩,可對(duì)電路造成不良影響,使音響裝置發(fā)出交流聲或?qū)е码娐氛`動(dòng)作,但有時(shí)也許并不導(dǎo)致上述后果。對(duì)于這種紋波或振蕩,都應(yīng)稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無(wú)線電波信號(hào),對(duì)需要接收這種信號(hào)的接收機(jī)來(lái)講,它是正常的目的信號(hào),而對(duì)另一接收機(jī)它就是一種非目的信號(hào),即是噪聲。在電子學(xué)中常使用干擾這個(gè)術(shù)語(yǔ),有時(shí)會(huì)與噪聲的概念相混淆,其實(shí),是有區(qū)別的。噪聲是一種電子信號(hào),而干擾是指的某種效應(yīng),是由于噪聲原因?qū)﹄娐吩斐傻囊环N不良反應(yīng)。而電路中存在著噪聲,卻不一定就有干擾。在數(shù)字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號(hào)上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的,而是一種噪聲。但由于電路特性關(guān)系,這些小尖峰脈沖還不致于使數(shù)字電路的邏輯受到影響而發(fā)生混亂,所以可以認(rèn)為是沒(méi)有干擾。
當(dāng)一個(gè)噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時(shí),該噪聲電壓就稱為干擾電壓。而一個(gè)電路或一個(gè)器件,當(dāng)它還能保持正常工作時(shí)所加的最大噪聲電壓,稱為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說(shuō)來(lái),噪聲很難消除,但可以設(shè)法降低噪聲的強(qiáng)度或提高電路的抗擾度,以使噪聲不致于形成干擾。
諧波
諧波:是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量,一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解,其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講,由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率,因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。
諧波產(chǎn)生的原因:由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載,當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí),與所加的電壓不呈線性關(guān)系,基波電流發(fā)生畸變就形成非正弦電流,即電路中有諧波產(chǎn)生。主要非線性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。
今天此篇文章主要講解開(kāi)關(guān)電源中的紋波和噪聲
開(kāi)關(guān)電源(包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊)與線性電源相比較,最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高,一般可達(dá)80%~85%,高的可達(dá)90%~97%;其次,開(kāi)關(guān)電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器,不僅重量減輕,體積也減小了,因此應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。但開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開(kāi)關(guān)管工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài),輸出的紋波和噪聲電壓較大,一般為輸出電壓的1%左右(低的為輸出電壓的0.5%左右),最好產(chǎn)品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV;而線性電源的調(diào)整管工作于線性狀態(tài),無(wú)紋波電壓,輸出的噪聲電壓也較小,其單位是μV。
簡(jiǎn)單地介紹開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測(cè)量方法、測(cè)量裝置、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)及減小紋波和噪聲的措施。
紋波和噪聲產(chǎn)生的原因
開(kāi)關(guān)電源輸出的不是純正的直流電壓,里面有些交流成分,這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動(dòng),與開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開(kāi)、關(guān)過(guò)程,電能從輸入端被“泵到”輸出端,形成一個(gè)充電和放電的過(guò)程,從而造成輸出電壓的波動(dòng),波動(dòng)頻率與開(kāi)關(guān)的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值,其大小與開(kāi)關(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)。
噪聲的產(chǎn)生原因有兩種,一種是開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的;另一種是外界電磁場(chǎng)的干擾(EMI),它能通過(guò)輻射進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源或者通過(guò)電源線輸入開(kāi)關(guān)電源。
開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串,由發(fā)生在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成,也稱為開(kāi)關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開(kāi)關(guān)頻率高得多,噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān)。
利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形,如圖1所示。紋波的頻率與開(kāi)關(guān)管頻率相同,而噪聲的頻率是開(kāi)關(guān)管的兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電壓的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓,其單位是mVp-p。
圖1 紋波和噪聲的波形
紋波和噪聲的測(cè)量方法
紋波和噪聲電壓是開(kāi)關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一,因此如何精準(zhǔn)測(cè)量是一個(gè)十分重要問(wèn)題。目前測(cè)量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來(lái)測(cè)量的方法,它能精準(zhǔn)地測(cè)出紋波和噪聲電壓值。
由于開(kāi)關(guān)電源的品種繁多(有不同的拓?fù)?、工作頻率、輸出功率、不同的技術(shù)要求等),但是各生產(chǎn)廠家都采用示波器測(cè)量法,僅測(cè)量裝置上不完全相同,因此各廠對(duì)不同開(kāi)關(guān)電源的測(cè)量都有自己的標(biāo)準(zhǔn),即企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
用示波器測(cè)量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測(cè)開(kāi)關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測(cè)量連線組成。有的測(cè)量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。
圖2 示波器測(cè)量框圖
從圖2來(lái)看,似乎與其他測(cè)波形電路沒(méi)有什么區(qū)別,但實(shí)際上要求不同。測(cè)紋波和噪聲電壓的要求如下:
● 要防止環(huán)境的電磁場(chǎng)干擾(EMI)侵入,使輸出的噪聲電壓不受EMI的影響;
● 要防止負(fù)載電路中可能產(chǎn)生的EMI干擾;
● 對(duì)小型開(kāi)關(guān)型模塊電源,由于內(nèi)部無(wú)輸出電容或輸出電容較小,所以在測(cè)量時(shí)要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/div>
為滿足第1條要求,測(cè)量連線應(yīng)盡量短,并采用雙絞線(消除共模噪聲干擾)或同軸電纜;一般的示波器探頭不能用,需用專用示波器探頭;并且測(cè)量點(diǎn)應(yīng)在電源輸出端上,若測(cè)量點(diǎn)在負(fù)載上則會(huì)造成極大的測(cè)量誤差。為滿足第2點(diǎn),負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。
經(jīng)常有這樣的情況發(fā)生,用戶買回的開(kāi)關(guān)電源或模塊電源,在測(cè)量紋波和噪聲這一性能指標(biāo)時(shí),發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格上的指標(biāo)不符,大大地超過(guò)技術(shù)規(guī)格上的性能指標(biāo)要求,這往往是用戶的測(cè)量裝置不合適,測(cè)量的方法(測(cè)量點(diǎn)的選擇)不合適或采用通用的測(cè)量探頭所致
幾種測(cè)量裝置
1 雙絞線測(cè)量裝置
雙絞線測(cè)量裝置如圖3所示。采用300mm(12英寸)長(zhǎng)、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測(cè)開(kāi)關(guān)電源的+OUT及-OUT連接,在+OUT與-OUT之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個(gè)4TμF電解電容(鉭電容)后輸入帶寬為50MHz(有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz)的示波器。在測(cè)量點(diǎn)連接時(shí),一端要接在+OUT上,另一端接到地平面端。
圖3 雙絞線測(cè)量裝置
這里要注意的是,雙絞線接地線的末端要盡量的短,夾在探頭的地線環(huán)上。
2 平行線測(cè)量裝置
平行線測(cè)量裝置如圖4所示。圖4中,C1是多層陶瓷電容(MLCC),容量為1μF,C2是鉭電解電容,容量是10μF。兩條平行銅箔帶的電壓降之和小于輸出電壓值的2%。該測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是與實(shí)際工作環(huán)境比較接近,缺點(diǎn)是較容易撿拾EMI干擾。
圖4 平行線測(cè)量裝置
3 專用示波器探頭
圖5所示為一種專用示波器探頭直接與波測(cè)電源靠接。專用示波器探頭上有個(gè)地線環(huán),其探頭的尖端接觸電源輸出正極,地線環(huán)接觸電源的負(fù)極(GND),接觸要可靠。
圖5 示波器探頭的接法
這里順便提出,不能采用示波器的通用探頭,因?yàn)橥ㄓ檬静ㄆ魈筋^的地線不屏蔽且較長(zhǎng),容易撿拾外界電磁場(chǎng)的干擾,造成較大的噪聲輸出,虛線面積越大,受干擾的影響越大,如圖6所示。
圖6 通用探頭易造成干擾
4 同軸電纜測(cè)量裝置
這里介紹兩種同軸電纜測(cè)量裝置。圖7是在被測(cè)電源的輸出端接R、C電路后經(jīng)輸入同軸電纜(50Ω)后接示波器的AC輸入端;圖8是同軸電纜直接接電源輸出端,在同軸電纜的兩端串接1個(gè)0.68μF陶瓷電容及1個(gè)47Ω/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和電容電阻的連接如圖9所示。
圖7 同軸電纜測(cè)量裝置1
圖8 同軸電纜測(cè)量裝置2
圖9 T形BNC連接器和電容電阻的連接
紋波和噪聲的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)
以上介紹了多種測(cè)量裝置,同一個(gè)被測(cè)電源若采用不同的測(cè)量裝置,其測(cè)量的結(jié)果是不相同的,若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量裝置來(lái)測(cè),則測(cè)量的結(jié)果才有可比性。
圖10 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量裝置
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測(cè)電源輸出正、負(fù)端小于150mm處并聯(lián)兩個(gè)電容C2及C3,C2為22μF電解電容,C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個(gè)電容的連接端接負(fù)載及不超過(guò)1.5m長(zhǎng)的50Ω同軸電纜,同軸電纜的另一端連接一個(gè)50Ω的電阻R和串接一個(gè)4700pF的電容C1后接入示波器,示波器的帶寬為100MHz。同軸電纜的兩端連接線應(yīng)盡可能地短,以防止撿拾輻射的噪聲。另外,連接負(fù)載的線若越長(zhǎng),則測(cè)出的紋波和噪聲電壓越大,在這情況下有必要連接C2及C3。若示波器探頭的地線太長(zhǎng),則紋波和噪聲的測(cè)量不可能精確。
另外,測(cè)試應(yīng)在溫室條件下,被測(cè)電源應(yīng)輸入正常的電壓,輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。
減小紋波和噪聲電壓的措施
開(kāi)關(guān)電源除開(kāi)關(guān)噪聲外,在AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)全波整流及電容濾波,電流波形為脈沖,如圖11所示(圖a是全波整流、濾波電路,b是電壓及電流波形)。電流波形中有高次諧波,它會(huì)增加噪聲輸出。良好的開(kāi)關(guān)電源(AC/DC轉(zhuǎn)換器)在電路增加了功率因數(shù)校正(PFC)電路,使輸出電流近似正弦波,降低高次諧波,功率因數(shù)提高到0.95左右,減小了對(duì)電網(wǎng)的污染。電路圖如圖12所示。
圖11 開(kāi)關(guān)電源整流波形
圖12 開(kāi)關(guān)電源PFC電路
開(kāi)關(guān)電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓?fù)洌鞑糠蛛娐返脑O(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。例如,采用多相輸出結(jié)構(gòu),可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高;低的是幾十kHz,一般是幾百kHz,而高的可達(dá)1MHz以上。因此產(chǎn)生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高,要減小紋波和噪聲最簡(jiǎn)單的辦法是在電源電路中加無(wú)源低通濾波器。
1 減少EMI的措施
可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場(chǎng)輻射干擾。為減少?gòu)碾娫淳€輸入的電磁干擾,在電源輸入端加EMI濾波器,如圖13所示(EMI濾波器也稱為電源濾波器)。
圖13 開(kāi)關(guān)電源加EMI濾波
2 在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容
采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的,其特點(diǎn)是尺寸小而電容量大,高頻下ESR阻抗低,允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如,一種高分子聚合物鉭固態(tài)電解電容為68μF,其在20℃、100kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻(ESR)最大值為25mΩ,最大的允許紋波電流(在100kHz時(shí))為2400mArms,其尺寸為:7.3mm(長(zhǎng))×4.3mm(寬)×1.8mm(高),其型號(hào)為10TPE68M(貼片或封裝)。
紋波電壓ΔVOUT為:
ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)
若ΔIOUT=0.5A,ESR=25mΩ,則ΔVOUT=12.5mV。
若采用普通的鋁電解電容作輸出電容,額定電壓10V、額定電容量100μF,在20℃、120Hz時(shí)的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω,最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右,無(wú)法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作,再增加電容量也無(wú)效,因?yàn)槌^(guò)10kHz時(shí),它已成電感特性了。
某些開(kāi)關(guān)頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源,采用多層陶電容(MLCC)或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯(cuò),其價(jià)位要比高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)電容要低得多。
3 采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步
為減小輸出噪聲,電源的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步,即開(kāi)關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率,使開(kāi)關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同。
4 避免多個(gè)模塊電源之間相互干擾
在同一塊PCB上可能有多個(gè)模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近,則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離,減少其相互影響的干擾。
5 增加LC濾波器
為減小模塊電源的紋波和噪聲,可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器,如圖14所示。圖14左圖是單輸出,圖14右圖是雙輸出。
圖14 在DC/DC模塊中加入LC濾波器
在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時(shí)的電容值。要注意的是,電容量不能過(guò)大而造起動(dòng)問(wèn)題,LC的諧振頻率必須與開(kāi)關(guān)頻率要錯(cuò)開(kāi)以避免相互干擾,L采用μH極的,其直流電阻要低,以免影響輸出電壓精度。
表1和表2
6 增加LDO
在開(kāi)關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲,以滿足對(duì)噪聲特別有要求的電路需要(見(jiàn)圖15),輸出噪聲可達(dá)μV級(jí)。
圖15 在電源中加入LDO
由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百mV,則在開(kāi)關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了,并且其損耗也不大。
7 增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器
有源EMI濾波器可在150kHz~30MHz間衰減共模和差模噪聲,并且對(duì)衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時(shí),可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲,在滿載時(shí)效率可達(dá)99%。
輸出紋波衰減器可在1~500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上,并且能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容。
很多人在測(cè)試紋波和噪聲時(shí)往往會(huì)出現(xiàn)上百mv,或者幾百mv,遠(yuǎn)遠(yuǎn)比說(shuō)明書(shū)提供的紋波值大很多,這主要是測(cè)試方法不正確造成的。造成對(duì)紋波測(cè)試的幾點(diǎn)誤區(qū)。
誤區(qū)一:測(cè)試帶寬的選擇,帶寬越大測(cè)試越準(zhǔn)確
這種認(rèn)為是不正確的。輸出紋波的頻率和電源的開(kāi)關(guān)頻率相同,而開(kāi)關(guān)頻率目前一般從幾十KHZ到幾MHZ,另外由開(kāi)關(guān)器件所造成的干擾也小于20MHZ,帶寬限制在20MHZ,也是避免外界的高頻噪聲影響紋波的測(cè)試。一般情況下,模塊使用說(shuō)明書(shū)都會(huì)提到該模塊在測(cè)試紋波時(shí)所選用的示波器測(cè)試帶寬。通常沒(méi)有特殊說(shuō)明,紋波測(cè)試的帶寬一般設(shè)定為20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ帶寬限制功能。
誤區(qū)二:測(cè)試方法的選擇
測(cè)試方法的選擇在目前是存在較大爭(zhēng)議的,同一個(gè)模塊采用不同的測(cè)試方法會(huì)得到不同的結(jié)果。目前行業(yè)內(nèi)普遍流行的有靠測(cè)法、雙絞線法、平行線法、50歐同軸電纜測(cè)試四種方法,其目的只有一個(gè),就是真實(shí)客觀的測(cè)試模塊的輸出紋波。而用戶在使用中因?yàn)榉N種客觀因素一般采用的是甩線法,就是拿示波器探頭、地線夾直接接在模塊的輸出管腳測(cè)試,這種方法不能說(shuō)不正確,但會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果帶來(lái)很大的不同,一般可達(dá)到上百或者幾百毫伏的紋波。
示波器探頭的地線長(zhǎng)度約13cm,自身電感約為80nH,共模電流會(huì)在地線夾子上產(chǎn)生一定量不可忽略的尖峰電壓。在實(shí)際測(cè)試時(shí),地線夾通常會(huì)以環(huán)形出現(xiàn),所以很容易接收到空間輻射。測(cè)試端子和地線夾構(gòu)成的環(huán)路就像天線一樣在工作,地線環(huán)的面積越大,開(kāi)關(guān)過(guò)程中獲取的噪聲就越大,影響到紋波的正確測(cè)試。為減小地線夾過(guò)長(zhǎng)所造成的影響,探頭應(yīng)該直接靠在輸出管腳兩端,這樣信號(hào)和地相連處的地線環(huán)面積就很小了,這就是靠測(cè)法。測(cè)試時(shí)去掉示波器探頭的地線夾和探頭帽子,直接靠在輸出管腳上進(jìn)行測(cè)試,如果輸出管腳間距稍大,示波器探頭不能直接靠上,可以用自制地線環(huán)進(jìn)行測(cè)試,如下圖所示。
(左)使用地線夾直接測(cè)試 (右)采用靠測(cè)法測(cè)試
對(duì)于一些需要低紋波輸出的特定場(chǎng)合,需要采取特定的設(shè)計(jì)方案,采用甩線法測(cè)試也能得到比較小的紋波。西安偉京電子制造有限公司推出了兩款輸入16VDC—40VDC,輸出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六種輸出電壓,輸出功率15W,內(nèi)置輸入濾波器輸出低紋波的高可靠軍用電源模塊,一種采用全金屬氣密性封裝,一種采用優(yōu)良導(dǎo)熱灌封膠的五面體金屬結(jié)構(gòu),兩種模塊采用甩線法測(cè)試20MHZ帶寬,紋波在20—50mv,并且該模塊不用外加濾波器可以通過(guò)GJB151-97中CE102的要求。
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網(wǎng)友疑問(wèn)
測(cè)試電源紋波和噪聲的時(shí)候,選擇20MHZ的帶寬是為了測(cè)試電源自身是否滿足要求,對(duì)于電源這種低頻信號(hào)而言,20MHZ帶寬已經(jīng)足夠了。有一疑問(wèn):為什么不在示波器上選擇全帶寬?選擇全帶寬是怕受到高頻信號(hào)的干擾,而無(wú)法測(cè)試出電源本身的問(wèn)題?但是電源對(duì)于電路板而言很重要,如果高頻信號(hào)也對(duì)此有大的干擾,那么電路板就不能正常工作,是不是也應(yīng)當(dāng)測(cè)試高頻信號(hào)對(duì)電源的干擾?
我個(gè)人認(rèn)為,為了準(zhǔn)確的測(cè)量電源紋波信號(hào),就需要把直流以上的噪聲完全測(cè)試出來(lái),所以不進(jìn)行帶寬限制是最好的,不知道我這個(gè)觀點(diǎn)是否正確?我的問(wèn)題的出發(fā)點(diǎn)就是想盡量準(zhǔn)確的把IC端電源噪聲測(cè)量出來(lái)。如果來(lái)一個(gè)20M的 帶寬限制,其測(cè)試到的結(jié)果明顯偏小,就反應(yīng)不了真實(shí)的情況。此時(shí),很有可能隨著IC的門電路的翻轉(zhuǎn),電源上有20M以上,且幅度比較大的噪聲存在,這個(gè)噪聲有可能使IC的輸出特性變差。如果我測(cè)不到這個(gè)噪聲,我就可能無(wú)法找出合適的電容來(lái)把這個(gè)噪聲濾掉,從而不能解決電源噪聲引起的問(wèn)題。不知我的這個(gè)理解是否正確?
網(wǎng)友1
選擇20M的目的只是要將紋波測(cè)試出來(lái),這個(gè)是電源的指標(biāo)。但是對(duì)于單板來(lái)講,測(cè)試電壓的紋波還是需要使用全帶寬去測(cè)試,驗(yàn)證單板電源的穩(wěn)定性。
網(wǎng)友2
因?yàn)殡娫吹募y波和噪聲主要來(lái)自開(kāi)關(guān)管,而電源的開(kāi)關(guān)管工作在40多KHz,所以選擇20MHz的帶寬來(lái)測(cè)試。
網(wǎng)友3
擾在電路板中主要指的是EMI問(wèn)題,從能量的角度考慮,電源的能量是最強(qiáng)的,它可以產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng),對(duì)其它信號(hào)的干擾最大,而高頻信號(hào)的電壓一般在700mv左右,且信號(hào)能產(chǎn)生的磁場(chǎng)很弱,相對(duì)于電源而言,對(duì)電源的影響很小,可以不計(jì)。
網(wǎng)友4
對(duì)于電源紋波和噪聲,個(gè)人認(rèn)為電源紋波應(yīng)該使用20MHz的帶寬來(lái)測(cè)試,而測(cè)試噪聲的時(shí)候,要使用全帶寬的來(lái)測(cè)試。原因是:對(duì)于紋波來(lái)講,是電源輸出的時(shí)候,電源自身的開(kāi)關(guān)頻率引起的,而在測(cè)試的時(shí)候使用20MHz的帶寬,就是為了把高頻的噪聲去掉,為了抓到真實(shí)的紋波。而對(duì)噪聲來(lái)講,要分選取的測(cè)試點(diǎn),一般測(cè)試芯片的電源輸入的是放在芯片的接收端,在接受端測(cè)試實(shí)際的電源噪聲,一般是有一定的范圍要求的,如果超過(guò)這個(gè)要求,也是需要處理的。而在問(wèn)題中擔(dān)心高頻噪聲在電源自身有影響,這個(gè)基本不用擔(dān)心,在電源的輸出端一般都是有小的濾波電容進(jìn)行濾除高頻的噪聲,如果測(cè)試電源輸出端有很大的噪聲,建議需要處理一下,用小電容將這部分濾掉。
網(wǎng)友5
要把紋波和噪聲分開(kāi)來(lái)看,紋波是由電容的充放電,PWM調(diào)解產(chǎn)生(當(dāng)然,這里也有一部分低頻噪聲),一次電源的波紋還和50HZ的工頻有關(guān)。就像問(wèn)題中所說(shuō)的那樣,電源的頻率很低,20MHZ保證測(cè)出來(lái)的是電源本身的問(wèn)題,而不是高頻干擾。而在噪聲的測(cè)試中,是要求把示波器打到全帶寬的,這樣來(lái)捕獲全帶寬下開(kāi)關(guān)電源的噪聲。而在定義噪聲的指標(biāo)時(shí),一般要考慮噪聲和直流壓降一起對(duì)后端用電芯片的影響,也就是說(shuō),噪聲要占用直流壓降的工作范圍。因此,的確要測(cè)試高頻信號(hào)對(duì)后端用電芯片的影響,而這一影響,就用噪聲來(lái)體現(xiàn)。以上是我對(duì)紋波噪聲的理解,里面會(huì)有一錯(cuò)誤和遺漏的地方,請(qǐng)指出,謝謝!
網(wǎng)友6
對(duì)于電源噪聲,我認(rèn)為在單獨(dú)的對(duì)電源電路進(jìn)行測(cè)試時(shí),需要進(jìn)行20MHz限制,這樣可以發(fā)現(xiàn)電源本身有沒(méi)有問(wèn)題,整版的測(cè)試需要在電源OK的基礎(chǔ)上進(jìn)行。一般情況下,我們會(huì)在IC的power腳都會(huì)加0.1uF進(jìn)行退耦處理,這個(gè)處理其實(shí)就是對(duì)耦合到電源上的高頻雜波的濾除。當(dāng)然,如果可以在全帶寬的情況通過(guò)spec要求,這個(gè)就更好了。其實(shí)談到0.1uF的退耦,我有個(gè)疑惑,為什么目前電路速度越來(lái)越快,但是0.1uF雷打不動(dòng)?0.1uF究竟對(duì)哪個(gè)頻段工作最有效?在整版都跑1G/2.5G甚至10G的情況下,有沒(méi)有必要將這顆電容值減???期待得到你的幫助,謝謝!
網(wǎng)友7
紋波和噪聲的測(cè)試首選使用同軸電纜紋波需要選擇20M帶寬,噪聲的測(cè)試需要使用全頻帶,因?yàn)橛袝r(shí)信號(hào)需要以電源平面作為參考面走線,必要時(shí) 使用頻譜分析儀分析高頻噪聲的頻段。
網(wǎng)友8
示波器在模擬前端和數(shù)字化過(guò)程中會(huì)存在垂直噪聲,示波器是測(cè)量?jī)x器,示波器帶寬越寬,垂直噪聲就越大,而嚴(yán)重的垂直噪聲會(huì)影響如下幾點(diǎn):
1.引入幅度測(cè)量誤差;
2.引入sin(x)/x波形重建不確定度;
3.引入作為輸入信號(hào)沿壓擺率函數(shù)的定時(shí)誤差(抖動(dòng));
4.造成可觀測(cè)到的不良胖波形;
因此,不將示波器設(shè)置成全帶寬,恰恰是避免,示波器的本底噪聲加入到電源中。
我覺(jué)得,高頻信號(hào)不會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生干擾,電源或者更多的是地,會(huì)是高頻信號(hào)串?dāng)_的一個(gè)載體。電路設(shè)計(jì)中,會(huì)在電源出,并上10uf、1uf并聯(lián)起來(lái)的電容,正式為了避免高頻信號(hào)通過(guò)電源串?dāng)_到電路其他地方。
網(wǎng)友9
一般認(rèn)為5M以下為電源紋波,這個(gè)紋波主要是電源的貢獻(xiàn)(關(guān)于這塊,我認(rèn)同問(wèn)題中說(shuō)法)。對(duì)于紋波的要求一般是1%以下; 5M以上一般認(rèn)為是噪聲,也就是問(wèn)題中說(shuō)的高頻信號(hào),對(duì)于噪聲一般是要求3%~5%。個(gè)人認(rèn)為噪聲主要是來(lái)自板上器件,這個(gè)噪聲主要還是針對(duì)電源網(wǎng)絡(luò)而言。
所以個(gè)人認(rèn)為示波器設(shè)置20M測(cè)試的紋波測(cè)的是電源模塊輸出電源的質(zhì)量,而示波器的全帶寬測(cè)的是整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)的電源質(zhì)量,所以對(duì)電源質(zhì)量要求比較高的器件(如鎖相環(huán),A/D等)全帶寬的測(cè)試也是有必要的。
網(wǎng)友10
示波器測(cè)量電源紋波時(shí),因?yàn)槭褂媒拥鼐€很長(zhǎng)的示波器探針、或者讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開(kāi)關(guān)元件等情況,使示波器耦合進(jìn)了一些高頻干擾,這是由示波器本身的原因引入的,并不是電源輸出的紋波成分,為了測(cè)量準(zhǔn)確,所以要將對(duì)帶寬有所限制,不能選擇全帶寬。
選擇全帶寬是怕受到高頻信號(hào)的干擾,而無(wú)法測(cè)試出電源本身的問(wèn)題。
為了保證電路板和電源正常工作,根據(jù)實(shí)際情況一般要采取在電源輸出端或(和)電路板輸入端加低通濾波、關(guān)鍵部件屏蔽等措施。電源的抗干擾能力最終也是通過(guò)測(cè)量紋波和噪聲反映出來(lái)。
網(wǎng)友11
這個(gè)疑問(wèn)很有道理的,在我們測(cè)試中,我們知道電源板內(nèi)基本都是低頻信號(hào), 最高頻莫過(guò)于控制芯片的時(shí)鐘。當(dāng)然不可否定電源其他干擾源的影響,這些在EMC實(shí)驗(yàn)中都會(huì)做實(shí)驗(yàn)的;另外,電源輸出測(cè)試,我們也測(cè)試20M帶寬、200M帶寬下信號(hào)和紋波,這我們都有標(biāo)準(zhǔn)的, 兩個(gè)帶寬下得測(cè)試只是在示波器帶寬切換而已,非常容易,測(cè)試一下,但也無(wú)妨。
網(wǎng)友12
關(guān)于電源(模塊電源)噪聲和紋波的測(cè)量:
測(cè)試方法是:紋波測(cè)試是采用20MHZ限制帶寬測(cè)試,時(shí)間格設(shè)置在開(kāi)關(guān)電源PWM頻率左右。紋波是抓開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的波動(dòng)。
噪聲測(cè)試必須采用全帶寬測(cè)試,要求時(shí)間格在200nS/DIV;一般是抓比開(kāi)關(guān)頻率高的雜波或者余波。
在系統(tǒng)板卡的模塊上一般來(lái)說(shuō),紋波影響芯片的基本性能和穩(wěn)定性。噪聲影響收發(fā)數(shù)據(jù)可靠性,丟包,錯(cuò)包概率。
網(wǎng)友13
我對(duì)這一次的問(wèn)題很感興趣,因?yàn)槲以跍y(cè)我電路板上的開(kāi)關(guān)電源的時(shí)候 就發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)噪聲很大,這種噪聲不同于紋波,在開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化時(shí)均會(huì)出現(xiàn), 通過(guò)很多努力,均未能消除。后來(lái),采用接地環(huán)測(cè)試,也就是縮短試波器探 頭的接地線之后,發(fā)現(xiàn)測(cè)量到的開(kāi)關(guān)噪聲就減小了很多。由此判斷,我之前 測(cè)到的噪聲應(yīng)該是開(kāi)關(guān)電源的空間干擾。后來(lái)聽(tīng)別人說(shuō),測(cè)紋波是要把示波 器的帶寬調(diào)到20MHz, 我想可能是因?yàn)?,測(cè)試電源時(shí)主要是測(cè)其電路上的指 標(biāo),故使用20MHz帶寬,可濾除空間干擾。
不知道是這個(gè)原因嗎?
網(wǎng)友14
關(guān)于這個(gè)問(wèn)題,我的看法是:選擇全帶寬是怕受到高頻信號(hào)的干擾,而無(wú)法測(cè)試出電源本身的問(wèn)題。但這個(gè)高頻信號(hào)是從場(chǎng)空間通過(guò)示波器探頭耦合進(jìn)去的,并不是電源自身產(chǎn)生的。所以電源供電的電路板可以正常工作,測(cè)試電源時(shí)也無(wú)須測(cè)試高頻信號(hào)對(duì)電源的干擾。但是現(xiàn)在有的開(kāi)關(guān)電源為了提高效率,單位功率等指標(biāo),將開(kāi)關(guān)頻率做得很高,如Vicor的電源好多開(kāi)關(guān)頻率都在1MHz左右,此時(shí)對(duì)電臺(tái)等對(duì)頻段敏感的應(yīng)用,就需要全波段考查,否則會(huì)引起頻段混疊,電臺(tái)收發(fā)出錯(cuò)。
網(wǎng)友15
業(yè)界一般都是使用20MHz帶寬測(cè)量的電源模塊/DC-DC等主供電設(shè)備電源輸出噪聲的,如果測(cè)量IC管腳處的噪聲,則另當(dāng)別論。電源噪聲(紋波): 噪聲包含很多種的成分(底噪,文波等),是一個(gè)籠統(tǒng)的說(shuō)法。紋波代表有固定頻率的波, 在電源里主要是開(kāi)關(guān)頻率對(duì)應(yīng)的噪聲(紋波),故有時(shí)電源噪聲和紋波通用。一點(diǎn)個(gè)人見(jiàn)解,未必準(zhǔn)確。
網(wǎng)友16
其實(shí)在實(shí)際的工程開(kāi)發(fā)測(cè)試在中,測(cè)試是更有針對(duì)性的,所以,以下觀點(diǎn)我不是很贊同。實(shí)際的測(cè)試中會(huì)包括兩部分:紋波測(cè)試機(jī)噪聲測(cè)試。而噪聲測(cè)試就是你所提到的不做帶寬限制,最大可能獲取真實(shí)情況。
網(wǎng)友17
您好!我前幾天在公司內(nèi)組織過(guò)一次紋波測(cè)試方面的討論,感覺(jué)精確的測(cè)量紋波對(duì)操作者的要求比較高,需要考慮的因素很多,導(dǎo)致測(cè)試的一致性較差。同樣的一個(gè)電路,換個(gè)人測(cè),結(jié)果偏差就會(huì)較大,花了很大力氣測(cè)出來(lái)的結(jié)果卻不能讓人信服!
我想問(wèn)個(gè)問(wèn)題,網(wǎng)上有人提到日本的一個(gè)紋波測(cè)量標(biāo)準(zhǔn) JEITA-RC9131A,它的適用性怎么樣?謝謝!
網(wǎng)友18(來(lái)自三星)
大家知道,對(duì)于電源系統(tǒng)來(lái)說(shuō)(PDS),主要包括Source端(VRM) 和Sink端 (Chip)對(duì)于Source端來(lái)講,我們測(cè)試的是電源輸出的紋波,示波器選擇20MHZ的原因是在Source端有很多電源本身的Noise Source,比如說(shuō)FET,還有電感,如果用全帶寬的話,幾乎大部分Noise Source都會(huì)耦合到探頭上面來(lái),這樣的話我們根本測(cè)試不到真正電源輸出紋波。 對(duì)于Sink端來(lái)講,相對(duì)就比較負(fù)責(zé),我們不僅要考慮電源模塊本身的Noise,還要考慮PDS中的其他因素,比如Power Plane的諧振,比如其他noise(VDC之類)耦合到Power Plane,比如芯片本身的SSN等等,這個(gè)時(shí)候如果我們用20MHZ帶寬的話,反而會(huì)遺漏掉很多電源NOISE,從而影響PI效果。
所以,我覺(jué)得在Power Source端,應(yīng)該用20MHZ帶寬去測(cè)試,而在SINK端得PI測(cè)試,則需要全帶寬去測(cè)試(當(dāng)然,也不能用太高的帶寬,從經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,1GHz~2.5GHz的示波器比較合適。
網(wǎng)友19(來(lái)自ZTE)
對(duì)于單純的電源產(chǎn)品,20MHz已經(jīng)足夠了,這是因?yàn)殡娫粗饕墓δ苁禽敵鲆粋€(gè)恒定的電壓,基本上是一個(gè)直流環(huán)境,過(guò)程中不會(huì)涉及到更高速的電路;對(duì)于數(shù)字電路板上的電源,我個(gè)人還是覺(jué)得高一點(diǎn)帶寬比較好。我們可以從設(shè)計(jì)角度想一下,隨著用電器件內(nèi)驅(qū)動(dòng)、接收開(kāi)關(guān)變化,電源網(wǎng)絡(luò)上的電流也會(huì)隨之變化,電流的變化也引起了電壓的波動(dòng),這一部分的噪聲占電源噪聲的很大比重。為了抑制這種噪聲,我們會(huì)在電源網(wǎng)絡(luò)上放置一定規(guī)格、數(shù)量的去耦電容,來(lái)保證這個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)的阻抗在有效頻率內(nèi)是低于目標(biāo)阻抗的,從而確保電源噪聲是滿足要求的,這個(gè)要求是兩維的。對(duì)應(yīng)的,電源噪聲也應(yīng)該是兩維的:噪聲大小和有效頻率。這個(gè)有效頻率設(shè)置到多大沒(méi)有定論,但是目前主流的數(shù)字電路板上去耦一般會(huì)設(shè)計(jì)到百兆數(shù)量級(jí),我個(gè)人覺(jué)得數(shù)字電路板上的電源噪聲測(cè)試帶寬應(yīng)該是與此一個(gè)數(shù)量級(jí)。
網(wǎng)友20(來(lái)自ZTE)
看了郵件,覺(jué)得電源噪聲說(shuō)法太籠統(tǒng),看文章的內(nèi)容,題目應(yīng)該是:PDN的?I噪聲測(cè)量。有兩層含義:其一,測(cè)試點(diǎn)在非理想電源地平面上,非電源模塊側(cè);其二,噪聲來(lái)源應(yīng)該是IC的開(kāi)關(guān)造成的。 要把評(píng)價(jià)電源模塊噪聲特性與評(píng)價(jià)PDN的概念區(qū)分開(kāi)來(lái)。
電源噪聲/電源紋波的說(shuō)法容易產(chǎn)生歧義,電源工程師關(guān)心的是電源模塊本身的噪聲與紋波指標(biāo),SI/PI工程師更關(guān)注PDN(電源分配網(wǎng)絡(luò))的噪聲指標(biāo),這個(gè)噪聲是由于IC的開(kāi)關(guān)造成的,業(yè)界也稱為?I噪聲,有個(gè)經(jīng)典的公式說(shuō)明PDN的噪聲來(lái)源:其一是dI,其二是供電回路電感L(在回路非理想時(shí),阻抗不為零,電感是一定有的),PI設(shè)計(jì)就是盡可能控制這個(gè)L。
PDN的測(cè)試結(jié)果應(yīng)該是含開(kāi)關(guān)電源模塊噪聲的,開(kāi)關(guān)電源本身的噪聲在頻域和?I噪聲是可以區(qū)分開(kāi)來(lái)的。
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