圖文詳解電源芯片紋波電壓測試方法-KIA MOS管

紋波電壓的來源及解決方法

輸入低頻紋波

(1) 增加輸出低頻濾波的電感、電容容量及數(shù)量

低頻紋波與輸出電路的濾波電容容量及 ESR 相關：

充放電時的電壓升降量：Vripple1=Imax/(Co×f)——加大輸出電容值，可以減小紋波 ；

電流進/出電容時 ESR 上電壓降量：Vripple2=I*ESR—-采用并聯(lián)的方式減小 ESR 值,或者使用 Low ESR 電容，可以減小紋波；

但電容的容量不可能無限制地增加，因此可另外采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量(前饋控制 feed forward control(FFC)是按照擾動產(chǎn)生校正作用的一種調(diào)節(jié)方式，其目的是加速系統(tǒng)響應速度，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)，主要用于一些純滯后或容量滯后較大的被控參數(shù)的控制)；

(2) 增加輸出走線(Trace)的寬度。

高頻紋波

高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關變換電路。

(1) 適當提高開關頻率，以提高高頻紋波頻率；

(2) 采用多級濾波。

寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲

主要由于功率器件與散熱器底板，變壓器原、副邊之間存在寄生電容及導線存在寄生電感引起。

(1) 減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并將散熱器有效接地(可選擇通過電容接地，或電容串 電阻接地)，同時在輸出側(cè)加共模電感及電容;

(2) 降低開關尖刺幅度(降低漏感、開關管與整流管的寄生電容，適當調(diào)整 RCD 參數(shù)等）。

功率器件開關過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲

主要來源于：

(1) 高頻整流二極管反向恢復時二極管結(jié)電容、功率器件開關時功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振，其頻率一 般為 1-10MHz；可以通過選用軟恢復特性二極管、結(jié)電容小的開關管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振 噪聲。

(2) 分布及寄生參數(shù)引起的開關電源噪聲

開關電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布 電容、原副邊的漏感都是噪聲源。

共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及開關電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔?器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關。

可以通過改進繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。

而開關電源與散熱器之間的分布電容與開關管的結(jié)構(gòu)以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊 可以減小開關管與散熱器之間的分布電容。

設計 PCB 板最好注意以下幾點:

從輸入到輸出最好按順序走線；

開關變壓器底下和附近不走取樣電路，保護電路，主芯片及振蕩相關電路的線路；

總接地點取在輸出濾波電容上比較合適，各電路接地點應從總接地點分別引出；

驅(qū)動信號到開關管走線盡可能短，且盡可能的粗，開關變壓器到輸出整流管也是一樣；

閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲

在調(diào)節(jié)器輸出增加對地的補償網(wǎng)絡，調(diào)節(jié)器的補償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大；

合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)過大有時會引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過小的開環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加，所以調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負載狀況進行調(diào)節(jié)，以獲得足夠的環(huán)路穩(wěn)定裕量。

在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，使延時滯后降到最小，以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時性，對抑制輸出電壓紋波是有益的。

根據(jù)上述內(nèi)容，紋波電壓在電源電路中是無法徹底消除的，只能盡量減小，即使采用電池供電也會因負載的波動而產(chǎn)生波紋。

紋波電壓的測量方法

1、 前端連接線和地環(huán)路的長度：長的地環(huán)路會拾取更多開關電源的電磁輻射以及地噪聲，因此需要使用盡可能短的地線連接。

2、 探頭的衰減比：大衰減比的探頭會使得小信號幅度更加微弱，甚至淹沒在示波器底噪聲里，所以應該盡量使用 1:1 衰減比的探頭。

3、 帶寬限制：很多電磁噪聲和示波器的底噪聲都是寬帶的，設置合適的帶寬限制可以濾除額外的噪聲。很多電源紋波噪聲測試場合使用 20MHz 的帶寬限制，也有些芯片會要求測到 80MHz 或 200MHz。

4、 測量量程：通常會在小量程檔下（比如 10mv/格或 20mv/格）進行電源紋波的測試。量程打得越大，示波器的底噪聲越高。但有些示波器的偏置范圍有限，在小檔位下時可能不能夠把被測的直流電壓信號拉回到屏幕中心附近進行測量，所以很多時候會使用示波器的 AC 耦合功能把直流隔離掉再進行紋波噪聲測試。

5、 輸入阻抗：很多示波器有 50 歐姆和 1M 歐姆的輸入阻抗選擇，通常 50 歐姆輸入阻抗下示波器的底噪聲更低。不過示波器連接大部分無源探頭時都會自動把阻抗切換到 1M 歐姆，只有連接有源探頭或同軸電纜時才可以設置為 50 歐姆輸入阻抗。

在進行實際測試之前，一個比較好的習慣是先檢查一下當前使用的設備和設置下的系統(tǒng)的底噪聲。

下面圖中的 5 個波形分別是使用 500M 的 S 系列示波器在使用不同的探頭和帶寬設置下的底噪聲結(jié)果。

波形從上到下依次為：50 歐姆輸入阻抗，1:1 探頭，500MHz 帶寬；1M 歐姆輸入阻抗，1:1 探頭，20MHz 帶寬；1M 歐姆輸入阻抗，1:1 探頭，500MHz 帶寬；1M 歐姆輸入阻抗，10:1 探頭，20MHz 帶寬；1M 歐姆輸入阻抗，10:1 探頭，500MHz 帶寬。

其底噪聲的峰峰值從不到 1mV 直到接近 30mV，可見測試中探頭、帶寬、輸入阻抗設置的重要性。

如果手頭實在沒有合適的低衰減比的探頭，也可以參考下圖用 50 歐姆的同軸電纜用如下方式自制一個探頭。

實際上就是把電纜的一頭接在示波器上，示波器設置為 50 歐姆輸入阻抗；電纜的另一頭剝開，屏蔽層焊接在被測電路地上，中心導體通過一個隔直電容連接被測的電源信號。

這種方法的優(yōu)點是低成本，低衰減比，缺點是一致性不好，隔直電容參數(shù)及帶寬不好控制。

TPS62111RSAR 紋波設計值

TPS62111RSAR 紋波實測值

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