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2021-04-05
张涛
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过去，要描述电源的行为特征就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压, 并用计算器或PC进行艰苦的计算。今天，大多数工程师转而将示波器作为他们的首选电源测量平台，现代示波器可以配备集成的电源测量和分析软件, 简化了设置, 并使得动态测量更为容易。
如何使用示波器更加有效地进行电源信号的准确测量，成为现在工程师越来越急需掌握的技巧方法。
同时，在电源产品的研发和测试中，降低负载端的纹波噪声是大多数电源工程师都关心的问题。本文结合纹波噪声的波形、测试方式，阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。
影响示波器测量电源信号准确性的四大因素
示波器垂直量测量出现偏差的原因归结为以下四点：
●低频补偿调节与否；
●示波器的底噪干扰对测量的影响；
●示波器的幅频特性曲线差异；
●示波器的垂直分辨率对测量的影响。
当然示波器测量精度不一定比得上高精度的万用表，所以若要在示波器垂直量测量中测出比较准确的数据需要掌握正确的操作技巧。
低频补偿调节与否
低频补偿（LFC）需要使用kHz范围内的方波（通常为1kHz 或10kHz）来调整X10档探头的频率响应。在进行低频补偿时，使用探头连接kHz方波信号，若出现过补偿或欠补偿的情况，可以用低频调节棒调节探头的低频补偿电容至方波平顶即可。
图1 波形补偿情况
如图2所示为探头与示波器输入端相连时的内部电路图，R1是一个9MΩ的串行电阻，与示波器输入端1MΩ输入电阻组成10:1的衰减器，可有效减少输入电容，有利于高频信号的测量。使用X10档探头测量信号时，随着信号频率的增加，容性负载的影响就越明显，此时探头主体中探针、电缆存在寄生电容（Cp、Cc）会造成探头与示波器的阻抗不匹配（R1xC1≠R2x（C2 Cc）），从而影响信号测量。
由于寄生电容的不一致性，所以需要将C1做成可调电容，用来补偿寄生电容的影响，使得R1xC1=R2x（C2 Cc），从而使探头与示波器得以匹配。由于R1、R2的阻值比较大，所以R1、C1、R2、C2形成的极点频率比较低，所以该电容又称为低频补偿电容。
图2 探头补偿电路
示波器的底噪干扰对测量的影响
底噪通常是指示波器的“基线本底噪声”，在示波器的模拟前端和数字转换过程造成的垂直噪声。底噪的大小用信噪比来表示，该值越大，代表该信号的噪声干扰越小，即测量仪器的底噪越小。
当示波器的底噪较大时，将会掩盖住小信号，影响微小信号测量的准确度，导致测量垂直量不准确；当示波器的底噪较低，则信号的测量就会比较准确。
若测量中想减小底噪干扰对测量的影响，可以使用以下方法：
●示波器的捕获模式使用“平均”捕获，平均捕获可以将多次触发的周期信号进行平均显示，使信号在某个值附近微小浮动，更接近真实值，以减少噪声的影响。
●示波器可使用“数字滤波”的方式在低通滤波（高通滤波）下将大于截止频率（小于截止频率）噪声信号进行滤除，提高测量的准确性。
示波器的幅频特性曲线
具体的说示波器带宽指示波器测得正弦波的幅度不低于真实正弦波信号-3dB幅度（即真实信号幅度的70.7%）时的最高频率，也称-3dB截止频率点。随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力都将会下降。示波器的幅频特性曲线指的是示波器信号的幅值随信号频率的增加而变化的曲线。图3所示为理想的幅频特性曲线。
图3 理想幅频特性曲线
不同的示波器不同的幅频特性曲线它们的平坦度是有差异的，但是带内衰减都在-3dB以内，均符合标准。因此不同示波器在同一个频率点的信号其幅值衰减可能不同，这就导致了不同示波器在幅值测量上有偏差的原因。
示波器的垂直分辨率对测量的影响
一般数字示波器采用的都是8位ADC，对任何一个波形值都是用256个0和1来重组。假设示波器垂直方向满量程为8格，对应量化级数256。在垂直档位为500mV/div的情况下，垂直精度为（500mV*8）/256=15.625mV。测量同一个信号，在垂直档位为50mV/div的情况下，即（50mV*8）/256=1.5625mV，垂直精度就达到了1.5625mV。
正确的电源纹波测试方法
电源信号实际波形中，直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动称为纹波，高频杂音称为噪声。具体如图4所示，频率较低且有规律的波动为纹波，尖峰部分为噪声。
图4 纹波噪声示意图
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试，业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中，平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品，靠测法用于模块引脚间距小的产品。但不管用平行线测试法还是靠测法，都需要限制示波器的带宽为20MHz，同时需要去掉地线夹。具体如图5和图6所示。
图5 平行线测试法
图6 靠测法
电源纹波的测试需要注意的几点有：
●首先探头要选择合适的档位，如果电压比较大，或者对带宽要求比较高的情况下可使用X10档，普通情况下建议使用X1档，避免不必要的噪声衰减影响纹波的测量。
●纹波属于交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信号的输入。
●可适当的使用“带宽限制”功能，可选择“20MHz”带宽限制，将不必要的高频噪声滤除。
●除此之外，更重要的一点就是要避免电磁辐射等对信号的干扰，所以在测量时建议使用“接地弹簧”接地，避免长接地线带来的不必要干扰。
影响电源纹波噪声的因素
输出滤波电容的影响
输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。同样的输入、负载条件下，电源的输出端加226的MLCC，实测电源输出的纹波噪声得到明显地减小。
实际应用时，电容除容量、ESR外，建议负载端的电容在回到电源之前，先汇集到输出电容，经过电容滤波后，再回到电源，从而有效降低纹波噪声对电路的影响。如图7所示。
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