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如何用数字示波器测量“高频开关电源”噪声

作者:广东泰测电子有限公司 浏览: 发表时间:2022-03-22 11:00:03

前言:硬件电路的许多问题都与电源有关,良好的电源设计对整个硬件电路至关重要;本文从实际案例中讨论了如何使用示波器更准确地测量电源的噪声,以实际测试案例说明了示波器带宽要求和不同带宽引起的测量结果之间的巨大差异,本文给出了硬结论和测量结果。


测量对象

测量对象是在市场上购买的IPAD扩展设备。该设备通过在IPAD上安装相应的APP,并在充电口中添加外围模块来扩展IPAD。

该设备使用的存储介质是MicroSD卡。我们检测MicroSD卡存储部分的信号,以检测这部分电路是否符合SD规范。使用示波器检测SDVCC电压时,根据测量电源纹波的经验,测量电源纹波一般应限制20MHZ带宽。然而,20MHZ的带宽限制与500MHZ的全带宽大不相同。那么,在这里测量SDVCC电压时,带宽应该限制在20MHZ吗?



该电路非常简单,即通过IPAD电源端口和数据传输线扩展产品;首先,测量产品给SD电源的电压波形。根据存储芯片MicroSD卡的电源要求范围:2.7V-3.6V;不得超出此范围,否则芯片在不稳定电压下工作风险较大,甚至影响卡的正常工作。

首先要考虑的是示波器的设置,是否需要20MHZ的带宽限制?详细使用环境如下图所示:

IPAD刚刚引出的端口可以作为电源的源端。当通过后端的外围模块进行测试时,电源通过PCB接线,包括一些芯片电路,应该有高频噪声。如果采用20MHZ的带宽限制,实际上过滤掉了原本属于模块的噪声。为此,我们进行了


比较测试验证:

***步是验证IPAD供电端在工作时的输出,如下图所示:

通过直接验证IPAD输出口的电压,确保源端供电正常;通过测试,发现源端测量的电压值约为3.4V(500MHZ带宽测量),峰值***29mV,供电非常稳定;

因此,可以排除源端供电的问题。接下来,我们将直接在MicroSD卡的供电脚SDVC中通过整个模块测量电压,如下图所示:

当我们测试图片上的点时,我们发现高频开关电源上有相当大的噪声,使电压超出标准要求,***值达到3.814V,峰值达到854mV;

但当我们将示波器设置为20MHZ带宽时,高频开关电源变得非常好,完全在供电要求范围内;

正如本文开头所描述的,在高频开关电源测试过程中,不再是高频开关电源的纹波测量,而是噪声。对于这种高频开关电源电压的测量,如果按照限制的20MHZ带宽进行测试,会给测量分析带来误判(因为确实有较大的噪声/电压波动),示波器的前端滤波会过滤掉产品本身的噪声;因此,我们采用500MHZ全带宽进行测试;

然而,上述测试方法是否真正反映了产品的噪声?此外,使用标准无源探头测试对测量结果有多大偏差?它在可接受的范围内吗?还需要进一步验证;

我们使用不同的接地环路来测量相同的测试点。带弹簧的测试回路减少了信号的回流路径,测试结果优于原标准的6英寸,但差异较小,测量的3.8V***值似乎不够准确(经验判断);在示波器操作培训之前,我们还了解到标准的10:1无源探头会给信号测量带来很大的偏差,10:1的衰减将使示波器的底部噪声增加10倍;因此,我们将使用1:1衰减,50欧姆同轴电缆再次测量产品,以确保产品的真实情况,以便分析测试结果,如下图所示:

使用1:1的同轴电缆可以减少信号传输的路径。此外,示波器直接设置为1:1衰减,避免了软件算法放大示波器底部噪声,从而带来***准确的测量结果;

采用同轴电缆测试的***值为3.645V,与使用无源探头3.814V的测量值相差0.169V。可见,当需要非常准确的测量时,应选择同轴电缆进行测量,以尽量减少测量误差。


总结

本文主要从测试的角度来分析和讨论如何测试高频开关电源的噪声。通过以上分析,得出以下结论:

1.根据以往高频开关电源纹波的测试方法,直接选择20MHZ带宽进行测试,不能正确反映高频开关电源的真实情况。在监测和测量高频开关电源电压时,应考虑其他高频噪声的干扰,示波器带宽不能限制在20MHZ。测试高频开关电源电压波动应选择什么样的带宽,分析具体问题,正确判断是测量纹波还是噪声,并相应选择如何设置示波器。

2.如果需要更准确的测量,则需要减少示波器10:1无源探头的误差,应使用1:1衰减的同轴电缆进行测量。


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