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閱讀：9發(fā)布時(shí)間：2025-3-27
伴隨著科技的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的種類日漸增多，性能也逐步提高，并已滲透到人類生產(chǎn)生活的各方各面。電子產(chǎn)品的內(nèi)部電路高度集成化，計(jì)算速度也越來越快。而工程師在設(shè)計(jì)下一代電子產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于超低功耗(Ultra-LowPower)以及更快系統(tǒng)時(shí)鐘和超高數(shù)據(jù)速率的追求，延續(xù)了電源直流電壓越來越低、輸出電壓精度要求越來越高的趨勢(shì)。
這種趨勢(shì)讓電源設(shè)計(jì)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，絕大部分電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在都需要考慮直流電源的信號(hào)完整性問題。開關(guān)電源中濾波電路的缺陷以及開關(guān)管通斷產(chǎn)生的高頻噪聲，會(huì)引起紋波和噪聲的產(chǎn)生。這不僅會(huì)降低電源效率，而且有可能引發(fā)干擾和故障。在數(shù)字電路中，直流電源的噪聲也會(huì)是系統(tǒng)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)抖動(dòng)的重要貢獻(xiàn)者。
因而，能夠擁有一臺(tái)可測(cè)量直流電源微小變化，并能觀察到信號(hào)更多細(xì)節(jié)的高精度儀表，同時(shí)又對(duì)直流電源紋波和噪聲的測(cè)量方法了如指掌，將會(huì)是對(duì)電源設(shè)計(jì)工程師更高的基本要求。
那首先，讓我們先對(duì)直流電源紋波及噪聲有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，然后針對(duì)測(cè)量中常遇到的疑惑或者影響測(cè)量的諸多因素做簡要分析，同時(shí)提出相應(yīng)的解決方案。
直流電壓/電流中，疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量，用電壓和電流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值（mVpp/mApp）來表示。
紋波和噪聲是直流電平上的雜波信號(hào)，包含周期性與隨機(jī)性兩種成分。其中，周期性成分在直流電壓上下輕微波動(dòng)，就像水平面上波動(dòng)的水紋一樣，所以被稱之為紋波。紋波的頻率，通常由開關(guān)頻率的基波和諧波組成。噪聲主要由開關(guān)管導(dǎo)通或截止瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖引起，當(dāng)然也有電源受到的外界電磁場輻射或傳導(dǎo)干擾的影響。紋波和噪聲無法避免，只能通過相應(yīng)設(shè)計(jì)將其減少到合理程度，比如使用合適的濾波器來濾除。
6、帶來噪聲干擾，引起音頻、視頻設(shè)備產(chǎn)生噪音或畫面不穩(wěn)定。
紋波和噪聲的主要來源：
1、低頻紋波：
主要是由50Hz工頻及其諧波成分組成，幅值小，容易濾除，線性直流電源的紋波甚至可以做到1mVrms以下。
2、高頻紋波：
主要是來源于開關(guān)電路，開關(guān)管在導(dǎo)通和截止的過程中會(huì)形成高頻干擾。與此同時(shí)，二極管在反向恢復(fù)瞬間，相當(dāng)于一個(gè)電阻和電感的串聯(lián)等效電路，引起諧振。高頻變壓器的漏感，也會(huì)形成高頻干擾。高頻紋波，幅值通常會(huì)比低頻紋波大許多。
通常情況下，高頻紋波的大小與開關(guān)電源的頻率以及輸出濾波器相關(guān)聯(lián)。頻率越高、濾波器電感和電容值越大，輸出紋波越小。
3、共模噪聲
功率器件與散熱器底板和變壓器原邊及副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線也存在寄生電感。當(dāng)電壓作用于功率器件時(shí)，導(dǎo)致開關(guān)電源輸出端形成共模噪聲。
4、開關(guān)器件形成的紋波
開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，會(huì)引起電感中的電流隨著輸出電流的有效值上下波動(dòng)，故而在電源輸出端能看到與開關(guān)頻率一致的紋波。
5、調(diào)節(jié)控制環(huán)路引起的紋波和噪聲
開關(guān)電源中的控制回路，并不是實(shí)時(shí)響應(yīng)，有一定的響應(yīng)時(shí)間，無法做到的線性調(diào)節(jié)。進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓在瞬間會(huì)忽高忽低的變化，造成電源的振蕩，形成紋波和噪聲。
影響電源紋波和噪聲測(cè)試精度的主要是因素：
1、探頭衰減系數(shù)
示波器有源探頭或標(biāo)配無源探頭，一般都是10X衰減比例，和示波器連接后，最小垂直刻度會(huì)從1mV/div變成10mV/div。此時(shí)示波器的本底噪聲會(huì)對(duì)小電壓的紋波和噪聲測(cè)量結(jié)果影響很大。故而在測(cè)量非常微弱的信號(hào)時(shí)，要求使用1X衰減比例的探頭或無源傳輸線探頭直接將信號(hào)引入示波器。
2、探頭接地方式
示波器探頭，有接地鱷魚夾和接地彈簧針2種接地方式可以選擇。接地鱷魚夾由于使用方便，受到大多數(shù)工程師的青睞。但在測(cè)試電源紋波和噪聲等微弱信號(hào)時(shí)，需要考慮地線回路對(duì)測(cè)量的影響。若地線過長或接地點(diǎn)與信號(hào)點(diǎn)離得太遠(yuǎn)，可能會(huì)引入高速芯片的近場EMI輻射噪聲。
為減小探頭在電源附近受電磁輻射的影響，有以下方法可以參考使用：
①摘去示波器探頭帽和接地鱷魚夾；
②使用接地彈簧針，并選擇離信號(hào)點(diǎn)最近的接地點(diǎn)接地；
③在探頭接入點(diǎn)并聯(lián)小電解電容或瓷片電容；
此外，將示波器探頭引線繞在鐵芯上，以減小共模電流，此操作不會(huì)對(duì)差分電壓測(cè)試有影響，但會(huì)降低由共模電流引起測(cè)量誤差的共模電感。在隔離電源中，共模電流是由探頭接地引線中的電流形成的。這使得電源地和示波器地之間形成電壓降，表現(xiàn)為紋波。
3、示波器耦合方式、直流偏置的范圍
AC耦合方式
還可以濾除被測(cè)信號(hào)的直流分量，示波器僅觀察被測(cè)信號(hào)的交流分量；
還可以配合更小的示波器垂直檔位，觀察電源紋波和噪聲等交流分量的細(xì)節(jié)。
DC耦合方式和直流偏置的范圍
被測(cè)信號(hào)含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上觀察；
還可以同時(shí)觀察0V電平與直流輸出電平，但若需觀察電源紋波和噪聲的局部放大細(xì)節(jié)，則需要示波器有足夠的電壓偏置的范圍。
4、輸入阻抗
通常情況下，示波器無源探頭大多數(shù)都是1MΩ以上的高阻輸入阻抗，對(duì)應(yīng)的示波器通道也需要設(shè)置1MΩ高阻輸入。
當(dāng)使用1X的傳輸線探頭，示波器若設(shè)置為高阻輸入，則會(huì)造成與同軸電纜的50Ω阻抗不匹配，引起電源噪聲的反射，測(cè)量所得到的結(jié)果往往會(huì)大于50Ω示波器輸入阻抗的真實(shí)測(cè)試結(jié)果。使用1X傳輸線探頭時(shí)，示波器通道輸入阻抗應(yīng)當(dāng)選擇50Ω匹配阻抗。
主要是因?yàn)槭静ㄆ鬟x擇50Ω輸入阻抗，耦合方式只能選擇DC耦合。而示波器的偏置的范圍有限，故而對(duì)于輸出電壓較大的電源，還需要增加隔直電路。
5、示波器垂直檔位（垂直靈敏度）
通常情況下，示波器的最小垂直檔位有2~4mV/div。市面上也有為了測(cè)量更小電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的示波器，其垂直檔位最小還可以到1mV/div（如RigolDS4000/6000系列），甚至500uV/div（如RigolDS2000A系列）。
示波器還可以通過調(diào)節(jié)合適的垂直檔位，使波形整體呈現(xiàn)在屏幕上。Rigol示波器還支持垂直檔位微調(diào)功能，在更小的范圍內(nèi)進(jìn)一步調(diào)整垂直檔位，以改善ENOB（動(dòng)態(tài)有效位）。如果輸入的波形幅度在當(dāng)前檔位略大于滿刻度，而使用下一檔位波形顯示的幅度又稍低，則還可以使用微調(diào)改善波形顯示幅度，方便觀察信號(hào)細(xì)節(jié)。
垂直檔位的調(diào)節(jié)的范圍與當(dāng)前設(shè)置的探頭比例有關(guān)。默認(rèn)情況下，探頭衰減比例為1X，垂直檔位的調(diào)節(jié)的范圍為1mV/div至5V/div。若探頭比衰減比例為10X，垂直檔位的調(diào)節(jié)的范圍即調(diào)整為10mV/div至50V/div。
示波器在測(cè)試5V的直流電壓時(shí)，要想觀察到mV級(jí)的紋波電壓變化細(xì)節(jié)，必然要將垂直檔位盡量調(diào)到較小檔位上進(jìn)行測(cè)量。
而在1mV/div這么小的垂直檔位上，示波器的動(dòng)態(tài)范圍僅±4-5mV（視示波器垂直檔位格數(shù)而定）。5V電壓對(duì)于±5mV的動(dòng)態(tài)范圍顯然太大，無法在垂直格數(shù)僅8-10div的示波器上觀察。故而需要使用AC耦合方式濾除直流分量，或者調(diào)節(jié)垂直偏置電壓到5V，這樣就可以觀察到紋波和噪聲的信號(hào)細(xì)節(jié)。一般而言，示波器很難調(diào)節(jié)到如此大的偏置電壓，故而使用AC耦合方式居多。
6、帶寬限制
由電源引起的紋波噪聲頻率通常都比較低，因而在進(jìn)行電源紋波和噪聲測(cè)量時(shí)，常常使用帶寬限制功能，以隔離高頻噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。帶寬限制的參數(shù)，大多數(shù)選擇在20MHz；若要評(píng)估所有頻段或部分頻段上電源的噪聲情況，則需要選擇其他的限制帶寬參數(shù)，如100MHz/200MHz/250MHz。
7、測(cè)試環(huán)境
不一樣的測(cè)試環(huán)境，也可能會(huì)得到不一樣的測(cè)試結(jié)果。可以規(guī)定以下測(cè)試要求：
①溫濕度：室內(nèi)，溫度(20±5)℃，濕度小于80%；
②盡量減少對(duì)測(cè)量有影響的機(jī)械震動(dòng)及電磁干擾；
③測(cè)量儀器與待測(cè)電源放置在以上的測(cè)試環(huán)境下24h以上；
④測(cè)量儀器在進(jìn)行正式測(cè)量之前，預(yù)熱半小時(shí)以上。
8、其他因素
①測(cè)試時(shí)，要求在加載狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)量；
②電源的負(fù)載要選擇純阻性負(fù)載，也可使用電子負(fù)載；
③負(fù)載拉載時(shí)，要使直流電源輸出電流大于電源額定輸出電流的80%以上；
④接線要盡可能短，以減少測(cè)量系統(tǒng)從外界引入的噪聲影響。
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