了解開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出偽像可加快電源設(shè)計(jì)

最小化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波和瞬變非常重要，尤其是在為高分辨率ADC等噪聲敏感型器件供電時(shí)，其中輸出紋波可能表現(xiàn)為ADC輸出頻譜上的明顯雜散。為了避免降低信噪比（SNR）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR），開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常被低壓差穩(wěn)壓器（LDO）取代，從而犧牲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的高效率，換取LDO更干凈的輸出。了解這些偽像將使設(shè)計(jì)人員能夠成功地將開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器集成到更廣泛的高性能、噪聲敏感型應(yīng)用中。

本文介紹測(cè)量開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變的有效技術(shù)。測(cè)量這些偽影需要非常小心，因?yàn)樵O(shè)置不良會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)不正確，示波器探頭的信號(hào)和接地引線形成的環(huán)路會(huì)引入寄生電感。這會(huì)增加與快速開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換相關(guān)的瞬變幅度，因此必須保持短連接、良好的技術(shù)和寬帶寬。此處，ADP2114雙通道2 A/單通道4 A同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器用于演示測(cè)量輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪聲的技術(shù)。該降壓穩(wěn)壓器提供高效率，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)2 MHz。

輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變

輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變?nèi)Q于穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及外部元件的值和特性。輸出紋波是與穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)操作相干相關(guān)的殘余交流輸出電壓。其基頻與穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率相同。開(kāi)關(guān)瞬變是在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示，由于高度依賴于測(cè)試設(shè)置，因此難以準(zhǔn)確測(cè)量。圖1顯示了輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變的示例。

圖1.輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變。

輸出紋波考慮因素

穩(wěn)壓器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。小電感以較高的電流紋波為代價(jià)提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)，而大電感以較慢的瞬態(tài)響應(yīng)為代價(jià)降低電流紋波。使用具有低有效串聯(lián)電阻（ESR）的電容器可將輸出紋波降至最低。具有 X5R 或 X7R 電介質(zhì)的陶瓷電容器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。大電容通常用于降低輸出紋波，但輸出電容器的尺寸和數(shù)量是以成本和PCB面積為代價(jià)的。

頻域測(cè)量

在測(cè)量不需要的輸出信號(hào)偽像時(shí)，電源工程師考慮頻域很有用，因?yàn)檫@可以更好地了解輸出紋波及其諧波在每個(gè)相應(yīng)功率電平下占用哪些離散頻率。圖2顯示了一個(gè)示例頻譜。此類信息可幫助工程師確定所選的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器是否適合其寬帶RF或高速轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

要進(jìn)行頻域測(cè)量，請(qǐng)?jiān)谳敵鲭娙萜魃线B接一個(gè) 50 Ω的同軸電纜探頭。信號(hào)通過(guò)隔直電容，在頻譜分析儀的輸入端以 50 Ω端接結(jié)束。隔直電容可防止直流傳遞到頻譜分析儀，并避免直流負(fù)載效應(yīng)。50 Ω?jìng)鬏敪h(huán)境最大限度地減少了高頻反射和駐波。

輸出電容是輸出紋波的主要來(lái)源，因此測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡可能靠近。從信號(hào)尖端到地的環(huán)路應(yīng)盡可能小，以盡量減少可能影響測(cè)量的額外電感。圖2顯示了頻域中的輸出紋波和諧波。在額定工作條件下，ADP2114在基頻下產(chǎn)生4 mV p-p輸出紋波。

圖2.使用頻譜分析儀繪制頻域圖。

時(shí)域測(cè)量

使用示波器探頭時(shí)，通過(guò)消除長(zhǎng)接地引線來(lái)避免接地環(huán)路，因?yàn)橛尚盘?hào)尖端和長(zhǎng)接地引線形成的環(huán)路會(huì)產(chǎn)生額外的電感和更高的開(kāi)關(guān)瞬變。

測(cè)量低電平輸出紋波時(shí)，請(qǐng)使用 1× 無(wú)源探頭或 50 Ω同軸電纜，而不是 10× 示波器探頭，因?yàn)?10× 探頭將信號(hào)衰減 10 倍，將低電平信號(hào)向下推至示波器本底噪聲。圖3顯示了一種次優(yōu)探測(cè)方法。圖4顯示了使用500 MHz帶寬設(shè)置測(cè)量的結(jié)果波形。高頻噪聲和瞬變是長(zhǎng)接地引線形成的環(huán)路造成的測(cè)量偽影，并非開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器固有的。

圖3.接地環(huán)路導(dǎo)致輸出錯(cuò)誤。

圖4.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

有幾種方法可以降低雜散電感。一種方法是從標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭上取下長(zhǎng)接地引線，而是將探頭的桶體連接到接地參考。圖5顯示了尖端和桶法。然而，在這種情況下，尖端連接在穩(wěn)壓器輸出的錯(cuò)誤點(diǎn)，而不是直接連接到輸出電容上。接地引線被移除，但印刷電路板上走線引起的電感仍然存在。圖6顯示了使用500 MHz帶寬設(shè)置時(shí)產(chǎn)生的波形。高頻噪聲較小，因?yàn)槿コ碎L(zhǎng)接地引線。

圖5.尖端和桶形方法探測(cè)切換器輸出的隨機(jī)點(diǎn)。

圖6.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

如圖7所示，使用接地線圈線直接探測(cè)輸出電容，可產(chǎn)生接近最佳的輸出紋波細(xì)節(jié)。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換處的噪聲得到改善，PCB上的走線電感顯著降低。但是，低幅度信號(hào)輪廓仍然疊加在紋波上，如圖8所示。

圖7.使用線圈線接地探測(cè)輸出電容器的尖端和桶形方法。

圖8.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) （1） 和交流耦合輸出波形 （2）。

最佳方法

探測(cè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出的最佳方法是在 50 Ω的環(huán)境中保持 50 Ω同軸電纜，并由示波器的可選 50 Ω輸入阻抗端接。放置在穩(wěn)壓器的輸出電容和示波器的輸入之間放置一個(gè)電容，用于阻擋直流流。電纜的另一端可以使用非常短的飛線直接焊接到輸出電容上，如圖9和圖10所示。這在寬帶寬上測(cè)量極低電平信號(hào)時(shí)保持了信號(hào)完整性。圖11顯示了使用500 MHz測(cè)量帶寬在輸出電容上探測(cè)的尖端和桶形方法和50 Ω同軸方法的比較。

圖9.最佳探測(cè)方法使用端接 50 Ω同軸電纜。

圖 10.最佳探測(cè)方法示例。

圖 11.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（1）、尖端和桶法（3）和50 Ω同軸法（2）。

技術(shù)比較表明，即使在 500 MHz 帶寬下，50 Ω環(huán)境中的同軸電纜也能提供更準(zhǔn)確的結(jié)果和更少的噪聲。將示波器帶寬更改為20 MHz可消除高頻噪聲，如圖12所示。ADP2114在時(shí)域中產(chǎn)生3.9 mV p-p的輸出紋波，這與頻域中采用20 MHz帶寬設(shè)置時(shí)4 mV p-p的測(cè)量值密切相關(guān)。

圖 12.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) （1） 和輸出紋波 （2）。

測(cè)量開(kāi)關(guān)瞬變

開(kāi)關(guān)瞬變的能量較低，但頻率成分高于輸出紋波。這發(fā)生在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，通常被標(biāo)準(zhǔn)化為包括紋波在內(nèi)的峰峰值。圖13顯示了在500 MHz帶寬內(nèi)使用具有長(zhǎng)接地引線和50 Ω同軸端接的標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭測(cè)量的開(kāi)關(guān)瞬變的比較。通常，由于接地引線較長(zhǎng)，接地環(huán)路產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)瞬變比預(yù)期要大。

圖 13.開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn) （1）、標(biāo)準(zhǔn)示波器探頭 （3） 和 50 Ω同軸端接 （2）。

結(jié)論

在設(shè)計(jì)和優(yōu)化低噪聲、高性能轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電源時(shí)，必須考慮輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬態(tài)測(cè)量技術(shù)。這些測(cè)量技術(shù)可在時(shí)域和頻域中提供準(zhǔn)確、可重復(fù)的結(jié)果。在寬頻率范圍內(nèi)測(cè)量低電平信號(hào)時(shí)，保持 50 Ω環(huán)境非常重要。一種簡(jiǎn)單、低成本的方法是使用端接正確的 50 Ω同軸電纜。該方法可用于各種開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)洹?/p>

審核編輯：郭婷