测量电源上的输出动态响应：示波器接地问题

测量低电压（＜1V）/高电流（30-150A）电源的示波器输出纹波和动态响应一直是一项挑战，每种新设置都有自己的误差。使用示波器“tip-and-barrel”方法或专用匹配阻抗的电压检测电缆解决了探头引线接地引起的误差。但是，即使使用最好的探测方法，也可能得到失真的输出测量，尤其是在应用或去除动态负载时。我注意到两个误差来源：

• 由通过电压探头接地侧到示波器接地的电流引起的接地环路和示波器的交流插头接地连接。

• 当同时在同一示波器上测量多个信号时，示波器可能在多个点接地测试设置，从而在所有通道中产生误差。当在同一台示波器上同时显示输出电压和输出电流时尤其如此。

让我们更深入地观察第一个误差源。如果示波器接地到与电源或输出负载相同的建筑物接地线路，那么负载变化可以驱动示波器探头接地外壳中的电流。该电流乘以外壳的阻抗将显示为示波器本身的电压，可能淹没尝试测量的实际纹波。这种接地外壳电流的其他来源包括具有噪声的实验室电源本身（甚至在静态负载情况下）和外部信号发生器。

目前消除或减少接地外壳电流的方法有：

• 将交流电线缠绕环形铁氧体几圈后连接信号发生器。

• 将动态负载放置在测试板上，不使用外部电子负载。

其他选项包括使用电池供电的示波器或具有隔离输入的示波器。

第二个误差源示波器接地冲突问题不如第一个为人所知。这也是在使用示波器同时显示输出电压和动态负载电流变化或多个输出电压时，电源动态负载响应测量失真的原因。测量多个低电压，示波器接地将通过多个探头连接到多个点的测试设置。实际示波器接地将是接地连接的“平均值”。

例如，如果电压监测点和电流监测点的电源地之间的电压差为+40mV，且两个监测点的接地连接质量相似，则电压监测点会出现+20mV的误差，电流监测点出现-20mV的误差。电流监视器通常具有几百毫伏的信号，而计算机核心电源等低电压应用允许的输出电压过冲/下冲为50mV或更低。

图1是电源输出测试设置的示例，图中监测了输出对大阶跃负载的响应，而且示波器还监测着低电阻上的动态负载电流。我使用信号发生器获得具有所需上升、下降时间和感应电压的阶跃负载，用50Ω电缆连接到J502。50Ω R527可抑制电缆上的任何反射。我使用tip-and-barrel方法用10x示波器探头检测R500上的电流。

图1：测试设置

 

图2显示了在应用和去除59A脉冲负载时，同一台示波器上的检测电压和检测动态负载电流。

应用要求是，在负载阶跃和负载突降情况下，VOUT（图1中示波器/ J502上的红色曲线）保持在855-945mV范围内。动态电流在接地的10mΩ电阻（图1中的R500）上测量，是图2中的绿色曲线。

  图 2：连接到示波器时，具有动态电流检测的2A至61A的阶跃负载和负载突降响应

观察图2中显示Vout的两条红色曲线通道，在施加负载阶跃时电压输出下降到861mV，然后在较高负载下稳定在889mV。移除（突降）相同增加的负载时，在稳定在900mV之前，电压输出达到峰值940mV。因此，电压输出保持在855-945mV限制内，测试“通过”。观察显示10mΩ电流检测电阻上电压的三条绿色曲线通道，动态负载从0A增加到593mV/10mΩ（或59A），然后回到0A。

断开电流检测探头与示波器的连接，输出端显示不同的电压波形。参见图3。

图 3：电流检测与示波器断开时，相同动态响应的VOUT

观察图3中显示输出电压的两条红色曲线通道，在施加负载阶跃时电压输出下降到863mV，然后在较高负载下稳定在896mV。移除（突降）相同增加的负载时，在稳定在900mV之前，电压输出达到峰值949mV。因此，输出电压高于945mV极限，测试“失败”。

装置外测试经验

使用外接“负载slammer”进行测试，并尝试监控主板上的输出电压和slammer上的动态负载，动态响应表现非常差。当从示波器中移除电流检测连接后，我看到了良好的动态响应。在上述案例中，电流检测连接造成了虚假的故障。

如果要在同一示波器上监测电流和电压，则需要具有完全隔离输入的示波器或检测电阻在电压纹波监测器正确接地的动态负载。对于第一个选项，您还需要两组具有良好输入隔离的差分探头。