使用示波器對電源模塊進行紋波測量

在電源模塊物料檢測和某些單板測試時，會使用示波器對電源模塊進行紋波測量，所以需要了解電源紋波的產(chǎn)生、危害，以及示波器各種探頭，用哪種探頭測試，最后怎么分析測試的電源紋波是正確的。

關(guān)鍵詞：電源紋波;示波器探頭;

01電源紋波

1.1、紋波的產(chǎn)生與描述

開關(guān)電源設(shè)計電路中脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號或開關(guān)器件控制通道的開啟與閉合過程中，開關(guān)電源功能模塊中的儲能電感兩端的漸變電流及儲能電容兩端的漸變電壓同步進行充放電并疊加在輸出端。由于不存在完美的后級濾波，這就造成輸出直流分量上疊加了穩(wěn)定頻率的紋波電壓，就是所謂的直流開關(guān)電源的紋波。紋波頻率的大小與開關(guān)電源中開關(guān)信號的頻率保持一致，一般頻率保持在幾十到幾百KHz的低頻領(lǐng)域。紋波的幅值的大小與開關(guān)電源模塊設(shè)計采用的電容容量和其等效串聯(lián)電阻有關(guān)聯(lián)，其大小可用峰峰值描述，一般保持在輸出直流電壓的3%內(nèi)。

1.2、紋波的危害

紋波電壓過大就會造成一定的危害，比如在電路中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的高頻諧波，進而會產(chǎn)生更多、更隱蔽的危害;由于集成電路芯片工作電壓越來越低，較強的紋波會對芯片造成浪涌沖擊危害，導(dǎo)致其工作不穩(wěn)定甚至燒毀;干擾其他電路間正在告訴傳輸?shù)倪壿嬯P(guān)系與信號，使圖像顯示裝置、聲音播放裝置或其傳輸?shù)?a target="_blank">信息受到干擾，影響正常圖像以及聲音質(zhì)量。

02示波器探頭分析以及選擇

2.1、探頭工作原理

探頭目前主要分為無源低壓示波器探頭以及無源高壓示波器探頭等種類為主的無源探頭和以有緣單端探頭及有緣差分探頭等種類為主的有源探頭。兩種的區(qū)別就是無源需要供電，有緣類需要進行供電才能工作。

2.2、無源探頭采集原理

圖2-1是無源探頭結(jié)構(gòu)原理：

圖2-1 衰減比10：1無源探頭結(jié)構(gòu)原理

對于圖2-1衰減比例為10：1的無源探頭，其內(nèi)部電路原理中包含等效9MΩ的輸入阻抗，此時需要將示波器的輸入阻抗設(shè)置為高阻1MΩ作為匹配。此時探頭內(nèi)部電路加上示波器內(nèi)部的串聯(lián)總阻抗為10MΩ，示波器內(nèi)部得到的電壓將會是串聯(lián)總線路上分壓的1/10，隨后示波器內(nèi)部再通過理論計算將測試到電壓幅值數(shù)字上放大10倍進行等效還原。

無源探頭的優(yōu)點：

無源探頭因為其具有 10 M? 的輸入阻抗，故它對待測電路的負載效應(yīng)干擾較小，能覆蓋一般被測的低頻頻段，其耐壓能力也強，加之結(jié)構(gòu)簡單、通用性及兼容性強，所以在測試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

無源探頭的缺點：

探頭的負載效應(yīng)通常指當(dāng)待測電路接上探頭后，示波器內(nèi)部電路及探頭電路串聯(lián)進一步形成了被測電路的并聯(lián)電路。原被測電路中的一小部分電流被這部分并聯(lián)電路通過分流進入到示波器內(nèi)部。如果分流量比較大，則將對原始被測電路上的電路信號產(chǎn)生顯著影響。如果不適當(dāng)?shù)卦斐珊艽蟮呢撦d效應(yīng)，那么示波器上顯示的波形相較于真實波形變化大。無源探頭同時將示波器內(nèi)部底噪也進行放大，導(dǎo)致測到的誤差也更大，故不適用于測試紋波小信號。

2.3、有源探頭采集原理

圖2-2是有源探頭結(jié)構(gòu)原理：

圖2-2 有源探頭采集原理

圖2-2，有源探頭采集到的紋波小信號經(jīng)過放大器穩(wěn)定后再通過阻抗為 50 ? 的同軸電纜進入示波器內(nèi)部，同樣示波器的輸入阻抗需要設(shè)置為 50 ? 完成阻抗匹配。由于有源單端探頭通常具有較高阻抗和較低的寄生電容，故可以被設(shè)計出極高的帶寬，因此它們主要在高頻信號的測量領(lǐng)域(G級帶寬)內(nèi)被廣泛使用。使用有源單端探頭的好處是可以測量到極高帶寬頻段，然而因為需要在探頭內(nèi)部集成放大電路，故其設(shè)計及制造成本相對于無源探頭會更高，有的價格可達萬元級。除價格外，高帶寬放大器的信號輸入范圍很小，所以它的動態(tài)范圍通常被限制在僅幾伏范圍之內(nèi)，整個探頭所能承受的最大電壓也只有幾十伏，操作或設(shè)置不當(dāng)會造成探頭內(nèi)部電路故障。有源差分探頭使用差分放大器來專門測試差分信號，即利用其具有較高的共模抑制比及對共模噪聲較強的抑制能力，來測試差分信號(一對具有不同相位差及電壓差信號，忽略地信號的影響。

2.4、采用衰減比例為1:1的無源示波器探頭可以測量電源紋波

對于衰減比例為1:1 的無源示波器探頭，其采集測量到的微波信號未經(jīng)衰減就直接經(jīng)過同軸傳輸線傳至示波器內(nèi)部，示波器內(nèi)部底噪不會被同步計算放大就直接顯示，測量噪聲引起的誤差更小。它的耐壓相對于高衰減比無源示波器探頭低的多，但它具備了測試低壓小信號的有利條件。但是因為無源探頭這種設(shè)計本身存在著輸入阻抗較低的缺陷，所以當(dāng)測量高輸出阻抗的紋波信號時，探頭的負載效應(yīng)將會比較明顯，造成測量值誤差偏大。又因為探頭內(nèi)部存在的容抗可以和后端示波器內(nèi)存在的阻抗間接形成低通濾波器，可能對采集到的波形進行衰減，將會造成測量值誤差偏小。綜合來講，這種探頭更適用于測量較低輸出阻抗及頻率的開關(guān)電源電路紋波小信號。

03測試紋波的步驟

3.1、設(shè)置耦合

示波器耦合常見方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器還有低頻耦合和高頻耦合方式等?？梢詫⑹静ㄆ?Y 軸檔位調(diào)小，利于進行紋波小信號的觀察，使用交流耦合方式，從而忽略開關(guān)電源的直流輸出及降低對電壓敏感的探頭損壞的概率。

3.2、設(shè)置帶寬

帶寬限制應(yīng)被設(shè)置到 20 MHz，以降低測試探頭拾取到存在于電源產(chǎn)生及測試環(huán)境的高頻噪聲及干擾，來盡量保證真正紋波信號本身測量結(jié)果的精準。紋波頻率通常低于 1 MHz，此時示波器設(shè)置的 20 MHz 帶寬仍滿足測試需求。

3.3、設(shè)置阻抗

示波器測量通道阻抗設(shè)置只有1 MΩ 與 50 Ω 兩種，但使用無源探頭時，須采用1 MΩ 進行匹配。

3.4、設(shè)置探頭衰減比例

衰減比例 10 ：1 的探頭雖然提升了測試帶寬，但是對于紋波小信號的測量造成更多的干擾。因為被測紋波小信號幅度本身就小，再衰減 10 倍將會淹沒在示波器的底噪中，即使后期示波器再做 10 倍的數(shù)學(xué)放大，對于信噪比本身也是沒有絲毫優(yōu)化及改善。故對于紋波小信號的測量應(yīng)采用 1 ：1 的探頭。

3.5、探頭接入方法

測試中應(yīng)該使用原裝測試專用短針或者接地彈簧針保證地線環(huán)路小。由于整個紋波小信號測試環(huán)路比較大，會引入更多的空間電磁輻射噪聲、地環(huán)路噪聲及較多的 EMI 輻射噪聲等進入到探頭的采集信號回路中，如圖3-1所示，將導(dǎo)致顯示的紋波包含其他噪聲信號的成分，致使測試誤差增大。所以要盡可能減小探頭探測點的間距，來減小環(huán)路面積及干擾。

圖3-1 探頭環(huán)路形成的空間電磁場環(huán)路

04測試案例

測試5V電源紋波波形圖如圖4-1所示：

圖4-1 電源5V的紋波

圖4-1測得電源紋波電壓為8.5mV左右，紋波的頻率在109KHz。因為電源電壓為5V，所以其可以容許的紋波電壓是在3%以內(nèi)：

式(1.1)表明紋波電壓滿足要求，因為開關(guān)電源MOS開關(guān)頻率在100KHz，測得的頻率是109KHz，其相差不大，所以也滿足測試要求。