低成本开关电源噪声测量

1、低成本开关电源噪声测量开关稳压器中的输出噪声就其性质而言， nSMPS 的输出会有一些开关噪声。毕竟，它们被设 计为使用脉冲宽度调制 （或脉冲频率调制） 信号从较高直流电源切换 电流，然后使用 2 极 LC 滤波器对其进行滤波。MOSFET 的开关动作产生交替周期，其中第一电流流入电感器，然 后电感器放电。 这导致大的 dI / dt 和大的电压尖峰。 我们期待这种噪 音。这是一个问题， LC 滤波器在防止这些大电压尖峰传输到电路的 其余部分方面有多么有效。SMPS 的典型输出电压将在开关频率处显示纹波。 一个重要的指标是 当调节器没有负载时，以及在应用中加载典型负载电阻时有多少纹 波。测量开

2、关电源中的噪声 我最近有一个低噪声应用，我想尝试使用一个非常低成本的 3.3 VSMPS;仅需要50 mA的负载电流。我有一个评估板，我用5 V墙壁 电源连接到电源，用一个简单的10X探头测量输出。我的测量配置如 图 1 所示。图1.使用10倍探头测量输出电压轨直流电平在3.3 V时很好。凭借我的Teledyne LeCroy HDO 8108 示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能够抵消这个电压，这样我就可以放大纹波噪声并且还可以寻找慢速直流漂移。图2显示了 10 mV / div刻度下的测量电压噪声。图2.使用10X探头的SMPS输出上的测量噪声，标度为10 mV / div切换器的20微

3、秒周期-对应于50kHz的开关频率-是显而易见的。 从电感器电流的充电和放电循环预期三角形脉冲。 但是，除了这个预 期的特征之外，还有两种类型的高频噪声。平坦区域存在 10 mV峰 峰值噪声，尖峰噪声有时会达到 60 mV峰峰值。高频噪音和尖锐的噪音尖峰令人不安。这没有被2极LC滤波器滤除。 如果我使用这种电源，我怎么能确保我的电路板能够保持足够的功 能，尽管有这些噪音？然而，事实证明，这种噪音实际上不是电源输出上的电压噪声。在我 的探测中，所有射频都是射频。区分电压噪声与RF拾取通过LC滤波器中的电感器的大dl / dt导致在SMPS附近产生的大磁场。任何具有低电感路径的环路都会产生磁感应电

4、流，从而产生我们用示波器测量的电压。我连接到SMPS引线的10倍探头制作了一个环形天线，可以拾取这 些尖峰。您的第一个想法可能是，但 10X探头的尖端是否有9MQ电 阻？这不是一个阻止任何交流电流在环路中感应的大阻抗吗？尖端有一个9MQ的电阻，但也有一个10 pF的并联电容，是均衡器 电路的一部分，高频电流通过该电路流过。在 100 MHz时，10 pF 电容的阻抗仅为160Q,非常低。为了测试这些噪声是否真的是探头中的 RF拾取而不是电源轨上的实 际噪声的想法，我将一个小型 SMA连接器焊接到电路板的输出端， 以减小环形天线面积和辐射灵敏度领域。此外，我在测量SMPS输出电压的附近添加了另一

5、个10倍探头，但是使用第二个探头，尖端 短接到地线。这种设置允许我使用 10倍探头同时测量输出轨，通过 SMA连接器测量输出轨，以及本地 RF噪声（探头拾取，尖端短接到地线ICfans ）。如图3所示图3.使用两个10X探头和一个同轴1 %连接来测量SMPS输出上的电压噪声。图4. SMPS输出上的测量电压。所有通道都在相同的10 mV / div范围内探头衰减会影响SNR有两个重要的观察结果。首先，1 %同轴电缆的一般噪声水平远低于10%探头。这实际上是由于10%探针不是10X探针，它是0.1 探针。 它将信号衰减10倍，将其幅度降低20 dB。当我们测量小信号电平 时，例如几十毫伏，测得的

6、电压对示波器的放大器噪声很敏感。大多数示波器足够聪明，可以识别出通道上附有10X探头。它们会自 动调整显示的电压标度，以补偿十倍因子衰减并显示尖端电压。因此, 当示波器以 10 mV / div 刻度显示信号时，它实际上在放大器上使用1 mV / div 刻度。我们所看到的是，尖端噪声的峰值到峰值几乎达到10 mV ，实际上在示波器放大器的峰峰值噪声约为 1 mV。使用SMA连接的同轴电缆实际上是1河探头。该迹线也以10 mV / div刻度显示。在这种情况下， 1 mV 峰峰值放大器噪声或多或少地包含 在迹线的线宽内。这表明了一个重要的最佳测量实践： 当我们观察低幅度信号时， 例如 电源轨噪

7、声， 任何 10 倍衰减探头都会使我们的 SNR 降低 20 dB 。当 每个 dB 计数时，请勿使用衰减探头。同轴连接与示波器探头第二个观察结果是， 同轴连接中不存在大而尖锐的尖峰， 而是存在于 两个10X探针测量中。由于其中一个探头甚至没有接触到轨道输出， 这强烈表明尖峰尖峰噪声是由于 RF 拾取引起的，而不是 SMPS 输 出上的电压噪声。这表明第二个重要的最佳测量实践： 在测量低幅度信号时， 使用尽可 能接近同轴连接的测量设置， 以减少探头的环路面积及其作为天线的 有效性。如果我们实施这两个最佳测量实践，我们在 3.3 V 电压轨中具有 30 mV 的峰峰值纹波噪声。 这是 1的纹波，非常适合低成本的 SMPS。 此外，高频噪声大大降低，并且短时瞬态 - 实际上作为 RF 拾取噪 声而不是轨电压噪声 - 不再作为切换器输出信号的一部分显示。 频域噪声只要我使用靠近我的电源和信号路径的地平面， 这是一个重要的最佳 半导体设计实践，由此SMPS供电的设备和我板上的信号将只看到 由50 kHz产生的谐波SMPS。使用直接同轴，低噪声连接，我测量了 SMPS电源轨上的噪声频谱。一个例子如图5所示1频谱中的峰值是开关频率的50 kHz谐波。一次谐波的幅度约为10 dBmV，即3 mV。这远小于在时域中测量的 30mV峰峰值电压。这 是因为纹波噪声具有