開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）上的噪聲有時(shí)會(huì )變得很糟糕。一個(gè)簡(jiǎn)單的低成本開(kāi)關(guān)電源（SMPS）上的電壓噪聲，并且幾乎因為這些電源在噪聲方面的聲譽(yù)不佳而下降。那么，應該如何測量開(kāi)關(guān)電源（SMPS）中的噪聲？
開(kāi)關(guān)穩壓器中的輸出噪聲
就其性質(zhì)而言，nSMPS的輸出會(huì )有一些開(kāi)關(guān)噪聲。畢竟，它們被設計為使用脈沖寬度調制（或脈沖頻率調制）信號從較高直流電源切換電流，然后使用2極LC濾波器對其進(jìn)行濾波。
MOSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生交替周期，其中第一電流流入電感器，然后電感器放電。這導致大的dI / dt和大的電壓尖峰。我們期待這種噪音。這是一個(gè)問(wèn)題，LC濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸到電路的其余部分方面有多么有效。
SMPS的典型輸出電壓將在開(kāi)關(guān)頻率處顯示紋波。一個(gè)重要的指標是當調節器沒(méi)有負載時(shí)，以及在應用中加載典型負載電阻時(shí)有多少紋波。
測量開(kāi)關(guān)電源中的噪聲
我最近有一個(gè)低噪聲應用，我想嘗試使用一個(gè)非常低成本的3.3 V SMPS; 僅需要50 mA的負載電流。我有一個(gè)評估板，我用5 V墻壁電源連接到電源，用一個(gè)簡(jiǎn)單的10×探頭測量輸出。我的測量配置如圖1所示。
圖1.使用10倍探頭測量輸出電壓軌。
直流電平在3.3 V時(shí)很好。憑借我的Teledyne LeCroy HDO 8108示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能夠抵消這個(gè)電壓，這樣我就可以放大紋波噪聲并且還可以尋找慢速直流漂移。圖2顯示了10 mV / div刻度下的測量電壓噪聲。
圖2.使用10× 探頭的SMPS輸出上的測量噪聲，標度為10 mV / div。
切換器的20微秒周期 - 對應于50kHz的開(kāi)關(guān)頻率 - 是顯而易見(jiàn)的。從電感器電流的充電和放電循環(huán)預期三角形脈沖。但是，除了這個(gè)預期的特征之外，還有兩種類(lèi)型的高頻噪聲。平坦區域存在10 mV峰峰值噪聲，尖峰噪聲有時(shí)會(huì )達到60 mV峰峰值。
高頻噪音和尖銳的噪音尖峰令人不安。這沒(méi)有被2極LC濾波器濾除。如果我使用這種電源，我怎么能確保我的電路板能夠保持足夠的功能，盡管有這些噪音？
然而，事實(shí)證明，這種噪音實(shí)際上不是電源輸出上的電壓噪聲。在我的探測中，所有射頻都是射頻。
區分電壓噪聲與RF拾取
通過(guò)LC濾波器中的電感器的大dI / dt導致在SMPS附近產(chǎn)生的大磁場(chǎng)。任何具有低電感路徑的環(huán)路都會(huì )產(chǎn)生磁感應電流，從而產(chǎn)生我們用示波器測量的電壓。
我連接到SMPS引線(xiàn)的10倍探頭制作了一個(gè)環(huán)形天線(xiàn)，可以拾取這些尖峰。您的第一個(gè)想法可能是，但10×探頭的尖端是否有9MΩ電阻？這不是一個(gè)阻止任何交流電流在環(huán)路中感應的大阻抗嗎？
尖端有一個(gè)9MΩ的電阻，但也有一個(gè)10 pF的并聯(lián)電容，是均衡器電路的一部分，高頻電流通過(guò)該電路流過(guò)。在100 MHz時(shí)，10 pF電容的阻抗僅為160Ω，非常低。
為了測試這些噪聲是否真的是探頭中的RF拾取而不是電源軌上的實(shí)際噪聲的想法，我將一個(gè)小型SMA連接器焊接到電路板的輸出端，以減小環(huán)形天線(xiàn)面積和輻射靈敏度領(lǐng)域。此外，我在測量SMPS輸出電壓的附近添加了另一個(gè)10倍探頭，但是使用第二個(gè)探頭，尖端短接到地線(xiàn)。這種設置允許我使用10倍探頭同時(shí)測量輸出軌，通過(guò)SMA連接器測量輸出軌，以及本地RF噪聲（探頭拾取，尖端短接到地線(xiàn)ICfans）。如圖3所示。
圖3.使用兩個(gè)10×探頭和一個(gè)同軸1×連接來(lái)測量SMPS輸出上的電壓噪聲。
圖4. SMPS輸出上的測量電壓。所有通道都在相同的10 mV / div范圍內。
探頭衰減會(huì )影響SNR
有兩個(gè)重要的觀(guān)察結果。首先，1×同軸電纜的一般噪聲水平遠低于10×探頭。這實(shí)際上是由于10×探針不是10×探針，它是0.1×探針。它將信號衰減10倍，將其幅度降低20 dB。當我們測量小信號電平時(shí)，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。
大多數示波器足夠聰明，可以識別出通道上附有10×探頭。它們會(huì )自動(dòng)調整顯示的電壓標度，以補償十倍因子衰減并顯示尖端電壓。因此，當示波器以10 mV / div刻度顯示信號時(shí)，它實(shí)際上在放大器上使用1 mV / div刻度。我們所看到的是，尖端噪聲的峰值到峰值幾乎達到10 mV，實(shí)際上在示波器放大器的峰峰值噪聲約為1 mV。
使用SMA連接的同軸電纜實(shí)際上是1×探頭。該跡線(xiàn)也以10 mV / div刻度顯示。在這種情況下，1 mV峰峰值放大器噪聲或多或少地包含在跡線(xiàn)的線(xiàn)寬內。
這表明了一個(gè)重要的最佳測量實(shí)踐：當我們觀(guān)察低幅度信號時(shí)，例如電源軌噪聲，任何10倍衰減探頭都會(huì )使我們的SNR降低20 dB。當每個(gè)dB計數時(shí)，請勿使用衰減探頭。
同軸連接與示波器探頭
第二個(gè)觀(guān)察結果是，同軸連接中不存在大而尖銳的尖峰，而是存在于兩個(gè)10×探針測量中。由于其中一個(gè)探頭甚至沒(méi)有接觸到軌道輸出，這強烈表明尖峰尖峰噪聲是由于RF拾取引起的，而不是SMPS輸出上的電壓噪聲。
這表明第二個(gè)重要的最佳測量實(shí)踐：在測量低幅度信號時(shí)，使用盡可能接近同軸連接的測量設置，以減少探頭的環(huán)路面積及其作為天線(xiàn)的有效性。
如果我們實(shí)施這兩個(gè)最佳測量實(shí)踐，我們在3.3 V電壓軌中具有30 mV的峰峰值紋波噪聲。這是1％的紋波，非常適合低成本的SMPS。此外，高頻噪聲大大降低，并且短時(shí)瞬態(tài) - 實(shí)際上作為RF拾取噪聲而不是軌電壓噪聲 - 不再作為切換器輸出信號的一部分顯示。
頻域噪聲
只要我使用靠近我的電源和信號路徑的地平面，這是一個(gè)重要的最佳半導體設計實(shí)踐，由此SMPS供電的設備和我板上的信號將只看到由50 kHz產(chǎn)生的諧波SMPS。
使用直接同軸，低噪聲連接，我測量了SMPS電源軌上的噪聲頻譜。一個(gè)例子如圖5所示。
圖5.電源軌上的噪聲頻譜。Top 是時(shí)變頻譜圖，超過(guò)10秒，顯示非常穩定的幅度。在此比例下，0 dBmV是1 mV幅度噪聲。
頻譜中的峰值是開(kāi)關(guān)頻率的50 kHz諧波。一次諧波的幅度約為10 dBmV，即3 mV。這遠小于在時(shí)域中測量的30mV峰峰值電壓。這是因為紋波噪聲具有如此低的占空比。在一次諧波的短時(shí)三角脈沖中沒(méi)有太多的正弦波。大量高次諧波表示時(shí)域中波形的奇怪形狀及其高頻內容。
所有開(kāi)關(guān)噪聲均低于約3 MHz時(shí)的10μV幅度。對于我的應用，這是一個(gè)可接受的噪音水平，實(shí)際上對于這種低成本的SMPS來(lái)說(shuō)它非常低。
結論
本文討論了關(guān)于開(kāi)關(guān)電源實(shí)際產(chǎn)生的電壓噪聲的重要考慮因素，并介紹了兩種最佳測量方法，可幫助您對開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出軌進(jìn)行精確的示波器測量。
