硬件测试项之电源纹波的测量和纹波的要求、纹波的抑制

引言

理想状态下,电源输出端的电压是平滑稳定的,但现实情况却非如此,特别是开关电源,其功率管在导通和关断的过程中、负载端变化都会导致输出端电压存在波动(电压波动的频率与芯片开关频率一致),波动的电压就是我们常说的纹波电压。过大的纹波电压对受电设备会造成不良影响,在设计制作样品时,我们要测试验证电源的输出纹波电压是否符合设计要求,但是往往由于测试方法不对,造成测试偏差比较大,下面介绍纹波电压的正确测量方法、纹波的要求、纹波的抑制方法。

一、电源纹波的测量方法

1.带宽限制:开启 20MHz 带宽限制

纹波电压的频率等同于芯片开关频率,为了防止探头拾取到环境中的高频噪声,我们需要将示波器中测试纹波电压的通道带宽限制在 20MHz。

2. 耦合方式:选择交流 AC 耦合

纹波电压是指叠加在直流电压中的交流成分,所以我们在测试纹波电压时,可以选用交流耦合方式,只测量叠加在直流信号上的交流信号即可。

3. ms/格、mv/格设置

≥2ms/格(以观察交流整流对纹波的影响) 、10mv/格或20mv/格(量程打得越大,示波器的底噪声越高)。

4. 探头设置:取消探头地线夹(使用接地弹簧) 、选择×1档

由于探头自带地线夹会像天线一样接收空间中的电磁辐射,影响测试结果,所以测试时不能使用地线夹,如图 1。推荐使用探头顶部的接地点接地,即探头直接靠在测试端,如图 2。
图 1
图 2

二、纹波要求

1.Vo≤3.3V时

Vp-p<60mV。

2.Vo>3.3V且≤5V时

Vp-p<100mV(无动态负载),Vp-p<250mV(有动态负载,如功放,电机等)。

3.Vo>5V且≤12V时

Vp-p<600mV(无动态负载),Vp-p<1200mV(有动态负载,如功放,电机等)。

4.Vo>12V时

Vp-p<600mV(无动态负载),Vp-p<1500mV(有动态负载,如功放,电机等)。

三、纹波抑制

1.增大输出电容

增大输出电容容量也就是增大了电源系统所存储的能量,当负载在加载过程中需要大电流提供时,电源平面上较大的电容即可为负载提供瞬时所需的能量,使得电压波动不大。但是电容的选择也是很重要的,对于小电流电源平面(负载电流3A这种)可能增加些许陶瓷电容即可达到较好的需求,但是对于大电流电源平面(负载电流上百A这种),所增加的电容容量就会变得很大,此时ESR就变成了考虑对象。通常负载是低压大电流的,一般选择大容量低ESR的高分子铝电解电容,而不选择铝液体电解电容。

2.提高芯片的开关频率

提高高频纹波频率,有利于抑制输出高频纹波,但是过大的开关频率容易造成EMI辐射超标,因此开关频率最好还是选择一个合适的值。

3.增大输出电感

根据开关电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值可以减小输出电源的纹波。

4.优化反馈环路设计

增加前馈电容、选择带有COT控制模式的芯片。

5.优化PCB布局布线

DCDC输出纹波大小是电源平面系统性的问题,在绝大多数情况下通过以上措施理论上可以减小输出的纹波,但是也要注意PCB的布局与布线,比如:功率环路尽量小,反馈走线尽量短且远离其他干扰信号线等。

6.使用LDO供电

在DC-DC后串联一个LDO,衰减开关模式电源产生的电压纹波(利用LDO的高PSRR来降低输出电压纹波)。

影响PSRR变量:

|-------------|---------------------|-----------------------------|-----------------------|
| 参数 | PSRR |||
| 参数 | 低频 (<1kHz) | 中频 (1kHz -- 100kHz) | 高频 (>100kHz) |
| VIN -- VOUT | +++ | +++ | ++ |
| 输出电容器(COUT) | 没有效果 | + | +++ |
| 降噪电容器(CNR) | +++ | + | 没有效果 |
| 前馈电容(CFF) | ++ | +++ | + |
| PCB布局 | + | + | +++ |

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