如何测量电源的纹波和瞬态

2019年4月23日 作者:Ron Stull

如何测量电源的纹波和瞬态

评估电源时最常用的两个规格是纹波瞬态。它们看起来像是简单的测量指标,但是为了获得正确的数据,应该记住两个重要方面。第一个方面是使用示波器探针时的测量技术,第二个方面是指定数据时需要遵守的特定条件。

使用示波器探针时采用的适当测量技术

在尝试测量纹波或瞬态之前,应讨论使用示波器探测的一些背景条件。由于可能会以毫伏为单位测量相关信号的幅度,所以经过放大的内部信号或被拾取的外部信号都很容易变得模糊或扭曲并导致产生不正确的结果。通过适当的探针测量技术来缓解这一情况是极其重要的环节。

测试人员要确保顺利测量,最重要的工作就是最大限度地减少探针产生的接地回路。探针返回路径产生的环路会产生电感,可以放大内部噪声并拾取外部噪声。探针通常带有鳄口式接地夹,与下图所示相似。这些接地夹虽然连接简单,却会导致产生很大的接地回路,不建议用于这些测量。相反,有两种常见的优选方法可用于实现小型接地回路:“针尖针筒”测量法和“回形针”测量法。

示例展示长接地夹引起的大探针接地回路
长接地夹引起的大探针接地回路

针尖针筒测量法能够移除接地盖和探针夹,露出探针的尖端和针筒。然后将探针的尖端探入输出电压,并调整针筒角度,使它在非常靠近尖端的点处接地。这种方法的一个缺点是,可触及的探针点或者尖端和针筒都能探入的点可能不是理想位置,而且/或者与任何输出电容器都间隔一定的距离。理想情况下,应尽可能靠近输出电容器放置探针。

示例展示针尖针筒探测法的理想设置
针尖针筒探测法的理想设置

另一方面,回形针测量法在采用针尖针筒测量法的同时,还在针筒上添加了一个带有短引线的小线圈。这样就形成一个类似镊子的尖端,能够找到更灵活的探针位置,同时保持较小的环路面积。

示例展示回形针探测法的理想设置
回形针探测法的理想设置

尽管这并不是获得良好信号的唯一方法,但无论选择什么方法,都应该尽量将接地回路降至最小。

纹波和噪声

纹波是由电源内部切换引起的输出电压的固有交流分量。噪声体现了电源内的寄生效应,表现为输出电压上的高频电压尖峰。数据表指定了由纹波和噪声引起的输出电压的最大峰峰值偏差。如上所述,务必要使用良好的探测方法以确保测量结果能够精确地表示电源的纹波和噪声。

测试纹波和噪声时,需要记住几个条件。首先,负载对纹波有很大影响,因而务必要根据数据表的规定,在相同的负载条件下(通常是满载)进行测量。输入电压也会影响纹波,所以应在所有相关输入电压下执行测试。除电气条件外,许多制造商还指定了一些外部电容器(通常是具有10μF的电解电容器和0.1μF的陶瓷电容器)。这些电容器安装于电源的输出端,用于进行测量。应当靠近这些电容器放置探针。最后,通常在示波器通道上为该测量指标指定20 MHz带宽限制。

通常只需一个示波器探针来执行该测试,探针使用上文所述测量方法,穿过输出电容器或指定的外接电容器。

图示为不良和良好的纹波和噪声探针测量
不良和良好的探针测量示例:大型接地回路纹波和噪声测量(左)与“回形针”探测法(右)

瞬态响应

瞬态响应是输出电压可能由于负载变化而偏离的量。负载发生变化时,电源不能立即对新条件作出反应,因而存储的能量会变得过多或不足。能量过剩或缺乏能量问题将由输出电容器负责解决。它们要么通过消耗电荷来维持负载从而导致电压降低,要么就会储存多余的能量从而导致电压升高。通过几个交换循环,电源将调整为仅存储负载所需的能量,而输出电压将恢复标称值。测量瞬态响应时,输出电压偏离其标称值的量、恢复所需的时间或电压超出规定调节限值的时间都会产生影响。

与纹波和噪声(只有负载和输入电压条件限制)不同,瞬态响应具有一些可能影响其测量的其他条件。要注意的重要条件是施加的负载阶跃的转换速率、启动电流和结束电流。转换速率对瞬态响应有很大影响,因为在电源能够赶上变化的条件之前,负载变化越快,输出偏离的量就越大。启动和结束电流的电平也会产生影响。电源在轻负载时通常表现不同,并且跨越这些区域的瞬态可能导致电源的反应不同于在同一区域发生瞬态时的反应。启动和结束电流以及转换速率还决定了电流变化的时间,并且应该符合指定的条件。

用户需要两个示波器通道进行瞬态响应测量。第一个探针应穿过靠近输出引脚或调节点的电源输出。测量远离调节点的输出电压将导致两个负载状态之间产生直流偏差,这是由输出电缆中的压降引起的。第二个探针应该用于电流或与瞬态负载变化同步的信号。该探针将用作触发器,以便可以清楚地看到产生的输出电压偏差。

图示输出电压和负载的瞬态响应测量
输出电压(上图)和负载(下图)的瞬态响应测量

结论

纹波和瞬态是电源评估的常见元素。使用示波器测量这些特性时,务必要尽量缩小探针环路面积以避免相关信号失真。除了正确的探针测量技术之外,还必须知道并遵守数据表指定这些测量时的条件,以便有效地进行比较。

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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及ac-dc和dc-dc功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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