Loto实践干货(1)正确而又优雅地测试电源纹波

wowo2018

我发现测量电源纹波的需求越来越普遍，不仅仅是针对电源工程师而言。纹波是电源的核心指标，电源工程师自然需要时刻关注纹波。其他领域的硬件工程师也会越来越多的要和电源纹波打交道。因为随着我们经验的累积，制作和接触的电路越来越复杂，我们越来越认识到一个干净的电源系统对电路的稳定工作室多么重要。我自己就会多次遇到莫名其妙不合逻辑的硬件问题最终发现是电源系统不干净造成的。所以我们调试复杂一些的电路，尤其是数字和模拟混合的电路时，需要对电源纹波保持高度警惕。


电源纹波是电源性能的最直观的表现，是电源输出电压的波动。如果是开关电源，输出纹波是有规律的摆动，摆动的频率等于开关频率。纹波的形成是因为电流流过输出电容在电容的ESR上所引起的压降，开关电源中不断地有脉动的电流流经电容，所以它的纹波的频率等于开关频率。电源系统的纹波叠加噪声会传递到芯片的电源引脚，影响芯片的性能。


拿我刚做的一块运动控制板的电源系统测试，直观的给大家展示电源纹波的测试过程和方法，同时自己也做个笔记。如下图所示，M是我的运动控制板，P是给M供电的开关电源，S是loto的USB示波器OSC802。

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2020-5-28 17:33

运动控制板M的电源部分原理图和PCB layout如下图所示：

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2020-5-28 17:33

我们需要测试V和G两端的电源的纹波，以便检验该电源系统是否达到了设计的要求
当然，首先我们知道要使用示波器的AC耦合档位来测试纹波大小，去掉我们不关心的直流分量。第一次我为了方便使用了较长的示波器探头的接地线，如下图所示：

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2020-5-28 17:33

电源的纹波本身可能不大，由于地线较长，图中所示的黄色线条所示的环流路径会将这个区域内的辐射干扰吸收进来，叠加在真实的纹波的基础上。在这种情况下，我的测试结果如下图：

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2020-5-28 17:49

大概测到了80mv左右的纹波，甚至叠加了100多mv的噪声（使用的是OSC802的50mv/div档位）。由于担心这个环流路径接收噪声干扰影响，我改进了测试方法，尽量减小这个环路面积，将外界干扰减小到最低限度。查询得知，使用接地弹簧测量环路面积非常小。但是手头没有接地弹簧，临时用了一根曲别针掰直，绕制了一个简易的接地弹簧。

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2020-5-28 17:41

这样一来，可以使用很小的环路面积来测量V和G之间的纹波。

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2020-5-28 17:41

测量结果果然改进很多，纹波变得很干净整齐，大概测到了20mv左右的纹波，（使用的是OSC802的20mv/div档位）如下图所示：

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2020-5-28 17:41

看来电源系统的纹波还是比较干净的，而且稳定在20mv左右，基本满足了我们当初的设计要求。同时也看到，仅仅是改变了测试的地线长短（其实改变了环路面积）测试的结果差异如此之大。为了谨慎起见，我又借来了一台台式的示波器，把两种操作又重复了一遍，虚拟示波器和台式数字示波器得到了相同的结论，分别也是80mv和20mv的纹波：

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2020-5-28 17:41

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2020-5-28 17:41

所以可以肯定的是，测量电源纹波，确实是需要使用AC耦合，然后用接地弹簧来连接地尽量减少环路面积才可以，如果没有接地弹簧完全可以顺手自制一个。另外，USB示波器OSC802测量电源纹波毫不逊色，20mv的纹波可以轻松测出来和清晰展现。
我把整个过程重现了一遍录制成视频了放在优酷上了，方便大家互相交流：
https://v.youku.com/v_show/id_XNDA0NDcxMTAxNg==.html?spm=a2h0j.11185381.listitem_page1.5~A

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2020-5-28 17:41

QQ:173393190.