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用500MHz帶寬的示波器對其開(kāi)關(guān)電源輸出5V信號的紋波進(jìn)行測試時(shí)，發(fā)現紋波和噪聲的峰峰值達到了900多mV（如下圖所示），而其開(kāi)關(guān)電源標稱(chēng)的紋波的峰峰值<20mv。雖然用戶(hù)電路板上后級還有LDO對開(kāi)關(guān)電源的這個(gè)輸出再進(jìn)行穩壓，但用戶(hù)認為測得的這個(gè)結果過(guò)大，不太可信，希望找出問(wèn)題所在。
問(wèn)題分析
電源紋波測試過(guò)大的問(wèn)題通常和使用的探頭以及前端的連接方式有關(guān)。首先檢查了用戶(hù)探頭的連接方式，發(fā)現其使用的是如下面左圖所示的長(cháng)的鱷魚(yú)夾地線(xiàn)，而且接地點(diǎn)夾在了單板的固定螺釘上，整個(gè)地環(huán)路比較大。由于大的地環(huán)路會(huì )引入更多的開(kāi)關(guān)電源造成的空間電磁輻射噪聲以及地環(huán)路噪聲，于是更換成如下面右圖所示的短的接地彈簧針。
探頭的GND和信號兩個(gè)探測點(diǎn)的距離也非常重要，當兩點(diǎn)相距較遠，會(huì )有很多EMI噪聲輻射到探頭的信號回路中（如下圖所示），示波器觀(guān)察的波形包括了其他信號分量，導致錯誤的測試結果。所以要盡量減小探頭的信號與地的探測點(diǎn)間距，減小環(huán)路面積。
在隔離電源中，會(huì )產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現為紋波。要防止這一問(wèn)題的出現，我們就需要特別注意電源設計的共模濾波。另外，將示波器引線(xiàn)纏繞在鐵氧體磁心周?chē)灿兄谛』@種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測量誤差。下圖顯示了該*相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。
經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，發(fā)現測得的紋波噪聲的峰峰值有很大改善，如下圖所示。但紋波噪聲的峰峰值仍然有40多mV，和開(kāi)關(guān)電源廠(chǎng)商標稱(chēng)的<20mV仍有較大差異。
進(jìn)一步檢查用戶(hù)使用的探頭的型號，發(fā)現用戶(hù)使用的是示波器標配的10:1的無(wú)源探頭。如下圖所示。
10:1的探頭會(huì )把被測信號衰減10倍再送入示波器，然后示波器再對被測信號進(jìn)行10倍的數學(xué)放大。這種探頭的好處是通過(guò)前面的匹配電路提升了探頭帶寬可以到幾百MHz，而且擴展了示波器的量程，但是對于小信號的測量不是特備有利。 如果被測信號幅度本身就小，再衰減10倍可能就淹沒(méi)在示波器的底噪聲里了，即使再做10倍的數學(xué)放大，對于信噪比本身也是沒(méi)有改善的。所以對于電源紋波噪聲的測量應該盡量使用小衰減比的探頭，比如1:1的探頭。于是另外找了一個(gè)1:1無(wú)源探頭，這種1:1的無(wú)源探頭雖然帶寬不高（通常幾十MHz），但衰減比小，對于小信號測試非常合適。下圖是換用1:1的無(wú)源探頭后，和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對比測試結果?？梢钥吹?，使用1:1探頭并設置20MHz帶寬限制后，測量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV，遠遠好過(guò)10:1探頭的測試結果。從1:1探頭的測試結果里可以看到清晰的紋波的波形，并且滿(mǎn)足用戶(hù)對于電源紋波噪聲<20mV的預期。另外，我們也可以看到，帶寬限制對于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。
問(wèn)題總結
這是一個(gè)典型的電源紋波測試的問(wèn)題。我們通過(guò)使用短的地線(xiàn)連接、換用低衰減比的探頭以及帶寬限制功能使得紋波噪聲的測試結果大大改善。一般來(lái)說(shuō)，影響電源紋波測試結果的影響因素按照重要性主要有以下幾個(gè)：
1、 前端連接線(xiàn)和地環(huán)路的長(cháng)度：長(cháng)的地環(huán)路會(huì )拾取更多開(kāi)關(guān)電源的電磁輻射以及地噪聲，因此需要使用盡可能短的地線(xiàn)連接。
2、 探頭的衰減比：大衰減比的探頭會(huì )使得小信號幅度更加微弱，甚至淹沒(méi)在示波器底噪聲里，所以應該盡量使用1:1衰減比的探頭。
3、 帶寬限制：很多電磁噪聲和示波器的底噪聲都是寬帶的，設置合適的帶寬限制可以濾除額外的噪聲。很多電源紋波噪聲測試場(chǎng)合使用20MHz的帶寬限制，也有些芯片會(huì )要求測到80MHz或200MHz。
4、 測量量程：通常會(huì )在小量程檔下（比如10mv/格或20mv/格）進(jìn)行電源紋波的測試。量程打得越大，示波器的底噪聲越高。但有些示波器的偏置范圍有限，在小檔位下時(shí)可能不能夠把被測的直流電壓信號拉回到屏幕中心附近進(jìn)行測量，所以很多時(shí)候會(huì )使用示波器的AC耦合功能把直流隔離掉再進(jìn)行紋波噪聲測試。
5、 輸入阻抗：很多示波器有50歐姆和1M歐姆的輸入阻抗選擇，通常50歐姆輸入阻抗下示波器的底噪聲更低。不過(guò)示波器連接大部分無(wú)源探頭時(shí)都會(huì )自動(dòng)把阻抗切換到1M歐姆，只有連接有源探頭或同軸電纜時(shí)才可以設置為50歐姆輸入阻抗。
在進(jìn)行實(shí)際測試之前，一個(gè)比較好的習慣是先檢查一下當前使用的設備和設置下的系統的底噪聲。下面圖中的5個(gè)波形分別是使用500M的S系列示波器在使用不同的探頭和帶寬設置下的底噪聲結果。波形從上到下依次為：50歐姆輸入阻抗，1:1探頭，500MHz帶寬；1M歐姆輸入阻抗，1:1探頭，20MHz帶寬；1M歐姆輸入阻抗，1:1探頭，500MHz帶寬；1M歐姆輸入阻抗，10:1探頭，20MHz帶寬；1M歐姆輸入阻抗，10:1探頭，500MHz帶寬。其底噪聲的峰峰值從不到1mV直到接近30mV，可見(jiàn)測試中探頭、帶寬、輸入阻抗設置的重要性。
如果手頭實(shí)在沒(méi)有合適的低衰減比的探頭，也可以參考下圖用50歐姆的同軸電纜用如下方式自制一個(gè)探頭。實(shí)際上就是把電纜的一頭接在示波器上，示波器設置為50歐姆輸入阻抗；電纜的另一頭剝開(kāi)，屏蔽層焊接在被測電路地上，中心導體通過(guò)一個(gè)隔直電容連接被測的電源信號。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是低成本，低衰減比，缺點(diǎn)是一致性不好，隔直電容參數及帶寬不好控制。
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