如何測量電源紋波？

http://www.jiangx.com/post/341.html

所謂紋波電壓，是指輸出電壓中50赫或100赫的交流分量，通常用有效值或峰值表示。經過穩壓作用，可以使整流濾波后的紋波電壓大大降低，降低的倍數反比于穩壓系數S 。測量電源紋波可以先用示波器將整個波形捕獲，然后將關心的紋波部分放大來觀察和測量(自動測量或光標測量均可)，同時還要利用示波器的FFT功能從頻域進行分析。

相關名詞定義：

1． 最大紋波電壓：在額定輸出電壓和負載電流下，輸出電壓的紋波（包括噪聲）的絕對值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。

2． 紋波系數：在額定負載電流下，輸出紋波電壓的有效值Urms與輸出直流電壓Uo之比，既y=Umrs/Uo x100%

3．紋波電壓抑制比：在規定的紋波頻率（例如50HZ）下，輸入電壓中的紋波電壓Ui~與輸出電壓中的紋波電壓Uo~之比，即：紋波電壓抑制比=Ui~/Uo~ 。

這里聲明一下：噪聲不同于紋波。紋波是出現在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關頻率同步的成分，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的0.5%以下；噪聲是出現在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的1%左右。紋波噪聲是二者的合成，用峰-峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的2%以下

如何使用示波器測量電源紋波？

答：可以先用示波器將波形整個波形捕獲，然后將關心的紋波部分放大來觀察和測量(自動測量或光標測量)，同時還利用示波器的FFT功能從頻域分析。

通常若不太清楚被測對象細節(幅值，頻率等)的情況下，可使用”AutoScale”按鈕，觀察到信號的大概，再調整水平控制旋鈕和垂直控制旋鈕，以得到最佳的顯示(如，幅值盡量滿屏顯示)，再用Zoom功能將波形作滿平放大顯示，測電源紋波時，可將紋波部分用Zoom功能放大來分析；另外，可能會考慮從頻域角度分析電源，觀察其諧波和雜波情況，為此，可讓示波器顯示盡量多個周期信號，將示波器的存儲深度僅可能用到最大，采樣率設置成適當的數值，以保證波形不失真，這樣得到的頻率分辨率為采樣率除以當前存儲深度設置，觀察各次諧波及其與基波的幅度差。另外，若使用MatLab軟件，可利用MatLab軟件的強大功能對捕獲的信號數據進行更加深入的分析。546xx、548xx都標準配置有和計算機相連的軟件，直接將數據取到計算機中，以進一步分析，當然，也可將Matlab軟件直接裝到548xx中。

若已經知道電路的參數,可直接調整示波器設置，讓其工作在合適的采樣率和垂直刻度下。

開關電源輸出電壓的紋波是一個重要的指標，如何正確使用示波器來測量這個指標？

答：紋波的定義是附著于直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號，英文稱為 PARD (Periodic And Random Deviation)。它的定義是雜波的峰峰值。測量紋波要注意的事項：示波器探頭地線會帶來很大紋波，應該拔掉地線直接使用探頭內地線進行測量。當然，最好的測量方法是使用50歐姆終端電阻，用BNC電纜直接聯結到示波器，這里應該注意該50歐姆電阻要考慮功耗，可能要大功率電阻。相關的標準要求，比如是否要分出周期性工頻紋波和開關紋波，高頻噪聲等。再比如，測量頻率是否要限制在20MHz以下。

分析如何準確測量電源紋波

測量電源紋波本身有一定技巧性。圖1給出了一個不當使用示波器測量電源紋波的實例。在這個例子中出現了幾個錯誤，首先是使用了接地線很長的示波器探針；其二是讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關元件；最后是允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。其結果帶來的問題是在測得的紋波波形中攜帶了拾取的高頻成分。

在電源中有許多很容易耦合到探針中的高速的、大電壓和電流信號波形，其中包括來自功率變壓器的磁場耦合、來自開關節點的電場耦合、以及由變壓器交繞(interwinding)電容產生的共模電流。

　
圖1：不當的紋波測量得到糟糕的結果。

采用正確的測量技術可切實改善紋波測量的結果。首先，通常會規定紋波的帶寬上限，以避免拾取超出紋波帶寬上限的高頻噪聲，應該給用于測量的示波器設定合適的帶寬上限。其次，可以通過摘掉探針的“帽子”來去掉接地長引線形成的天線。如圖2所示，我們把一段短線繞在探針接地引線周圍，并使之與電源地相連接。這樣做附帶的好處是縮短暴露在電源附近高強度電磁輻射中的探針長度，從而進一步減少高頻拾取。

最后，在隔離電源中，真正的共模電流是由在探針接地引線中流動的電流產生的，這就使得在電源地和示波器地之間產生電壓降，表現為紋波。要抑制這個紋波，需要在電源設計中仔細考慮共模濾波問題。

此外，把把示波器引線繞在鐵芯上可減小這個電流，因為這樣會形成一個不影響差分電壓測量、但可降低由共模電流產生的測量誤差的共模電感。圖2顯示了采用改進測量技術對同一電路得到的紋波電壓測量結果。可以看到，高頻尖刺已幾乎消除。

圖2：四種簡單改進極大地改善了測量結果。

事實上，當電源集成到系統中之后，電源紋波性能甚至會更好。在電源和系統其它部分之間幾乎總會存在一定量的電感。電感可能是由導線或在印刷線路板上的蝕刻線形成的，而在芯片附近總會有作為電源負載的附加旁路電容，這兩者形成低通濾波效應并進一步降低電源紋波和/或高頻噪聲。

舉一個極端的例子，由電感量為15nH的長一英寸的短線和電容量10μF的旁路電容構成的濾波器，其截止頻率為400kHz。該實例意味著能大幅減少高頻噪聲。該濾波器的截止頻率比電源紋波頻率低很多倍，可以切實降低紋波。聰明的工程師應該在測試過程中設法利用它。

DC/DC模塊的電源紋波測量

DC/DC模塊的電源紋波指標是一項很重要的參數。干凈的電源是數字電路穩定工作的前提，也是模擬器件的各項參數的重要保障。為確定電源的質量，必須對DC/DC模塊的輸出紋波進行測量。但很多人測量得到的紋波值動輒上百mV，甚至幾百mV，遠遠比器件手冊提供的最大紋波值大，這主要是測量方法的不正確造成的。

正確的測量方法

1)限制示波器帶寬為20MHz(大多中低端示波器檔位限制在20MHz，高端產品還有200MHz帶寬限制的選擇)，目的是避免數字電路的高頻噪聲影響紋波測量，盡量保證測量的準確性。

2)設置耦合方式為交流耦合，方便測量(以更小檔位來仔細觀測紋波，不關心直流電平).

3)保證探頭接地盡量短(測量紋波動輒上百mV的主要原因就是接地線太長)，盡量使用探頭自帶的原裝測試短針。如果沒有測試短針，可以拆除探頭的接地線和外殼，露出探頭地殼，自制接地線纏繞在探頭地殼上，保證接地線長度小于1cm。

4)示波器地懸空，只通過探頭地與測試信號的參考點共地，不要通過其他方式與測試設備共地，這樣會給紋波測量引入很大的地噪聲。例如：當示波器和其他儀器共插線板時，其他儀器的開關可能通過接地線給測試帶來噪聲干擾。

其中第3條是關鍵中的關鍵。接地線過長，其電感效應將給測量系統引入額外的噪聲，如下圖所示。

示波器參數要求：支持帶寬限制功能：一般示波器都支持20MHz帶寬限制，如：SDS1102CM。

探頭要求：為了使接地線盡量短，盡量使用探頭的原裝測試短針，若無原裝測試短針，則須自制短接地線：去除探頭接地線套，用金屬絲自行繞制接地短線，推薦五類線中銅絲，強度適中(還是有些偏軟，有更好的請推薦)。其他候選有焊錫絲、刻刀。選擇1X無衰減檔位，一般無源探頭在1X檔位時，其帶寬限制在6MHz/10MHz帶寬，如此在前端可有效濾除高頻噪聲的干擾，減小紋波測量影響。

真正的紋波應該是什么樣子？以下各圖可以讓大家對紋波的相貌大概有個感性認識。被測DC/DC模塊輸出3.3V與1.9V兩路電壓。