使用电源轨道探头评估电压纹波和噪声

随着供电电压越来越低，在电源总线上精确测量电源纹波或“噪声”的挑战变得越来越大。电源转换器的开关速度越快，对当今电路提出的带宽要求越高，设计人员也就越来越多地转向整体功率完整性，这些都使得情况变得更加复杂。今天，我们要处理动态负载，其中包括快速瞬态信号、提高的串扰、上升时间更快的耦合和开关稳压器。从EMI角度看，100 mV纹波也能接受的日子已经不再，因为这会耦合共模电流到I/O和电源电缆，导致放射辐射。

我们有必要看一下每种DC电源轨道，看提供的功率是否位于目标系统或器件的容限频带范围内，包括线路的标称DC值，以及存在的任何AC噪声或耦合。电源轨道中的AC噪声可以进一步分为宽带噪声、周期性事件、瞬态事件。

这三种噪声源都影响着到达器件的功率质量，必需把这些噪声源降到目标器件能够正常运行的水平。您必需能够看到和准确测量这些噪声源，才能最大限度地减少这些噪声源。但电源轨道测量带来了多个独特的测量挑战，因此必需考虑以下几个因素：

●带宽要求

●系统噪声和附加探头噪声

●AC或DC输入耦合折衷

●电源轨道的负载挑战

带宽

在考虑许多功率传送系统时，几MHz的测量带宽可能看上去也是合理的，因为大多数电源转换器最多从几百kHz切换到3 MHz。然而，这些开关信号的上升时间只有几纳秒或更快一些，这些快速边沿一般会产生宽带EMI，直到几GHz。再加上快速瞬态信号或其他耦合数字开关，电源轨道很容易会包含高达1 GHz的谐波能量和瞬态信号。

DC偏置和DC/AC耦合

大多数示波器的DC偏置有限，一般是±几伏，以便让显示的波形位于屏幕中心，另外还取决于垂直设置。为产品供电的原始电压可能会在12 ~ 48V，具体视应用而定。这很容易会落在大多数示波器的DC偏置范围之外。您可能会想，AC耦合可以解决这个问题，但这样会牺牲低频带宽，其中一个实例是测量缺失，比如瞬态负载时的电压顶降。

某些微处理器和电源管理集成电路采用节电功能，如动态频率和电压定标，这些功能会根据工作负载改变DC供电电压。使用仪器在AC耦合模式下很难分析这些功能，因为仪器没有显示低频信息。

10X无源探头

在查看各种信号时，高衰减无源探头提供了优异的动态范围，但由于衰减，与低衰减探头相比，其通常会引入更多的测量噪声。这是因为信号除以衰减因数，驱动着它更加靠近测量系统的噪底。因此，普通10X无源探头的信噪比(SNR)远远高于阻抗较低的探头。例如，10X无源探头可能只有5:1 SNR，电源轨道探头则有40:1 SNR。

仪器的噪声性能与垂直灵敏度设置成正比，灵敏度范围越高，噪声性能越好。使屏幕上显示的信号达到最大，将提供更高的分辨率，仪器表示的信号准确度也就越高。垂直灵敏度范围较低，通常会使信号本身显现的峰值噪声要高于实际水平。

电源轨道探头

制造示波器的大多数公司现在都增加了专门设计的专用电源轨道探头，以准确测量低阻抗电源轨道电压(部分实例请参见下面的参考资料部分)。理想的探头在DC处会提供非常高的阻抗，在更高的AC频率（一般在10 ~ 100 kHz）处会变为50 Ω阻抗。

为能够实现这一点，探头有两条路径：一个低频放大器，对DC和更低频率有DC偏置控制；一条单独的容性耦合路径，用于更高的频率到几GHz (图1)。例如，泰克TPP1000 (1 GHz带宽)和TPR4000 (4 GHz带宽)电源轨道探头都有+/- 60V DC偏置，可以处理42V峰值测量。泰克探头从50 kΩ开始，在频率提高时变为50 Ω。其他制造商，包括Keysight和Teledyne LeCroy，探头指标非常类似。

图1： 这个典型的电源轨道方框图显示了高频路径和低频路径。

测量实例

为了说明10X探头和电源轨道探头之间的差异，以及使任何连接电感达到最小的重要意义，我在时域和频域中进行了多次对比测量。在每种情况下，都会显示其中一种开关瞬态信号的振铃，以及峰峰值纹波测量和振铃频率。我还将显示得到的频域响应，显示谐振振铃频率处的峰值。频宽为0 ~ 1 GHz.

对这些测量实例，我将使用泰克6系列MSO (8 GHz带宽)及TPP1000 10X无源探头 (1 GHz带宽)和TPR4000电源轨道探头(4 GHz带宽)。我将使用内置Spectrum View频谱视图应用显示频域信息。

被测器件是1 MHz巴克GaN转换器，1.2V输出，由Efficient Power Conversion (EPC 9101演示电路板)出品。电路板装有一个10-Ω 2W电阻器。我们将在电路板上进行测量，就在输出上。

普通10X无源探头

第一项测量使用泰克TPP1000 (1 GHz带宽, 10 MΩ)及典型的6英寸地线完成(图2)。

图2：这是使用常见的10X无源探头进行的电压纹波测量设置。6英寸地线将增加相当大的电感，导致大的明显的纹波和振铃。

图3： 这是使用无源探头及长引线得到的测量结果。

看一下图3中的时域波形(底部)，我们看到振铃是550 mVp-p，振铃频率是214 MHz。然而，您可以看到一个相对较大的第二个谐波试图通过(时域波形中的二级纹波)。频谱画面(顶部)显示振铃频率上的谐振峰值和第二个谐波分别是214 MHz和433 MHz。

在下一个测量中，我们将使用相同的10X无源探头，但使用一条短地线夹到探头接地上。注意，尽管我们可以进行这样的纹波和噪声测量，但如果我们想在更高的电压轨道上进行相同的测量，比如12 ~ 48V电源轨道，那么还是会存在问题。

图4：使用无源探头及短地线得到的测量结果。

看一下图4中的时域波形(底部)，我们看到振铃现在下降到142 mV p-p，振铃频率现在是570 MHz。频谱画面(顶部)显示了振铃频率处的谐振峰值。

这说明了为什么在测量瞬态波形或开关波形时把任何连接电感降到最小如此重要。测量探头中任何额外的连接电感都会在测量中引入非常高的谐振假信号，进而导致纹波和噪声测量不准确。

电源轨道探头

对比一下上面的测量与泰克TPR4000电源轨道探头，我们可以看到电感纹波和噪声测量的差异非常大。我们将通过两种方式连接转换器电路板样品，一种是使用带有短探头针脚的手持式探头，另一种是使用焊接式同轴电缆附件。

图5： 使用电源轨道探头及短引线得到的测量结果。

看一下图5中的时域波形(底部)，我们看到振铃现在进一步下降到70 mV p-p，振铃频率现在是520 MHz。频谱画面(顶部)显示了基础频率520 MHz和第一个副谐波频率222 MHz时的谐振峰值。

看一下图6中的时域波形(底部)，我们看到振铃大体相同，是80 mV p-p，振铃频率现在回到220 MHz。频谱画面(顶部)显示了基础振铃频率220 MHz和四阶谐波频率892 MHz时的谐振峰值。

图6：这是使用焊接式同轴电缆附件得到的测量结果。

小结

70 ~ 80 mV p-p的这种测量对优秀的工程设计惯例仍具有重要意义，很容易会耦合产品电缆，导致放射辐射问题。一般来说，我们希望纹波和噪声不超过10 mV，最好能达到1 mV。

您可以看到，在使用普通10X, 10 MΩ无源探头时，即使是短连接引线，仍有大的电感谐振和振铃假信号，这会误导设计人员。在使用AC耦合时，低频带宽也严重受限。这些情况外加测量的电压轨道远超示波器提供补偿DC偏置电压的能力，要求必须使用新型电源轨道探头。

作者：Kenneth Wyatt ，Wyatt Technical Services公司总裁兼首席顾问

（参考原文：Assess voltage ripple and noise with power rail probes）

责编：Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年10月 刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅