【硬件篇之电源纹波噪声测试】

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发布于: 2020 年 12 月 07 日
 
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     前言：
   任何电子产品的运行，都少不了“电源”这个大动脉，这个大动脉的稳定，强健就是保证产品稳定，可靠，长期运行的关键。
   产品电源的测试包括：电压测试，纹波噪声测试，电流测试，上下电时序及斜率测试，快速上下电测试，短路测试，如果说电压测试和电流测试是保证电源的强壮性，纹波噪声测试及上下电时序及斜率测试是保证电源的稳定性，精准无损的纹波噪声测试为优化设计提供强力支撑。
  
概念定义
我们日常的电子产品供电一般为直流电源，5V/9V/12V，我们理想的电源是：
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实际把直流电源的精度调高，观察角度放宽，实际直流电源是这样的：
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     形如其名，蓝色大波浪就是电源的纹波，在波浪上的红色脉冲尖峰就是电源噪声，一般使用峰峰值表示，即Pk-Pk值=V波峰-V波谷，单位mV，Pk-Pk值越小，代表纹波噪声越小，电源越优质;
     因为我们电路使用的敏感元件，都有一个可承受最大电压范围及逻辑电平的分界线，超过这个最大电压，就有可能损坏元件，直接影响到产品寿命，而出现过低电压时，有可能引起CPU等关键器件的逻辑错误，保证电源的纹波噪声处于合理范围，才能保持产品的正常运行。
    通常所说的纹波主要是由直流电源产生，频率较低，直流电源包括线性电源和开关电源两类，线性电源的纹波噪声主要由前级电源传递以及同步开关噪声产生，纹波噪声较小，输出电压比较稳定，开关电源又分为单相交流输入的AC-DC开关电源和DC-DC的开关电源，也被称为一次电源和二次电源。
     
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  一次电源纹波噪声示意图
 图中100Hz的整流纹波，其为50Hz工频的两倍，由整流器整流产生，锯齿波部分由电源PWM调节引起，并叠加了与电源开关频率同频的开关噪声，非周期性出现的噪声为随机噪声。
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     二次电源纹波噪声示意图
   二次电源的纹波噪声，没有一次电源的纹波噪声有规律，主要由电容的充放电，PWM调节和干扰引起，电源开关纹波频率同PWM频率，一般为几百KHz，非周期出现的噪声为随机噪声。
      不同于纹波，噪声存在于全频带的信号中，除去开关噪声和随机噪声，单板上的电源还存在板上信号干扰带来的噪声，噪声的成因：1.器件高速开关状态下，瞬变的交变电流过大；2.电流回路存在电感；频率在几十MHz到上百MHz。
    纹波噪声测试的难点：
1、测试结果容易引入外界的电磁干扰，造成结果偏大；
2、仪器，测试方法选择不正确，导致测试信号波形失真，丢失部分频谱的纹波噪声，以下我们围绕解决这两点来进行测试的准备。
    
仪器选用原则
    电源纹波噪声测试均采用示波器配合相应探头的方法，连接示波器的探头主要包括：无源探头，有源探头，同轴电缆，根据各种测试探头的优缺点（主要是考虑精度）：
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同轴电缆测试结果较为准确，且受人为因素的影响较小，推荐使用同轴电缆并配合使用隔直电容的方法进行测试。
仪器选用如下：
- 示波器一台，带宽达到1GHz,灵敏度至少达到10mV/div,存储深度不低于                                100K；
- BNC-SMA转接头一个，射频同轴连接器；
-同轴电缆_SMA-JB3母头-半柔线缆两根，连接转接头与隔直电容，隔直电容与测试线；
-隔直电容1个，为方便连接，可自制一个转接板，焊接上隔直电容，转接板的接头和走线的阻 抗要保证50欧姆；
-SMA-KYB1铜管射频同轴测试线，焊接在单板，另一端通过同轴电缆接到隔直电容；
    
测试步骤
1.测试准备：
   -确认单板运行正常，且需工作在满载状态下，示波器与被测系统共地；
   -确认单板上的测试点，一般选择靠近被测对象的电容，并把同轴线缆焊接在电容两端；
    -确保被测电源电压不超过12V；
2.将单板运行在最大业务，将同轴线探头通过隔直电容连接到示波器，确认波形正常；
3.设置示波器，开始进行纹波测试
耦合方式：DC耦合+隔直电容
输入阻抗设置：50Ω
带宽设置：20MHz
采样时基：20ms/div
采样率：1.25Gs/s
垂直分辨率：10mV/div，根据实际调节，保证波形占到屏幕的2/3
采样方式：打开长余辉模式，并开启快速捕获DPO功能
应用场景：开关电源输出端
持续时间：acqs＞50000
     记录Pk-Pk值，并关注MAX,MIN值，若测试结果偏大，尽量调整同轴电缆和引线，减少受到外部高频元件的干扰。
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4.设置示波器，开始进行噪声测试
耦合方式：DC耦合+隔直电容
输入阻抗设置：50Ω
带宽设置：全带宽，一般≥500MHz
采样时基：20ms/div
采样率：1.25Gs/s，不低于1Gs/s
垂直分辨率：10mV/div，根据实际调节，保证波形占到屏幕的2/3
采样方式：打开长余辉模式，并开启快速捕获DPO功能
应用场景：芯片处电源测试
持续时间：acqs＞50000
     记录Pk-Pk值，并关注MAX,MIN值，若测试结果偏大，尽量调整同轴电缆和引线，减少受到外部高频元件的干扰。
注意：测试探头-同轴线应尽量垂直单板，并远离噪声源DDR，DCDC等元器件;
5.对比测试结果，常规下：电源的纹波要求≤3%*电压，噪声要求≤5%*电压，特殊芯片会要求1%的精度，具体以芯片规格书为准。
    
测试提升
  优秀的测试人员不只是客观准确的完成测试任务，提交测试报告，还要有问题的定位能力及解决测试fail的能力。
   电源的纹波噪声超标，我们可以从以下几个角度出发，优化我们的设计，减小纹波噪声：
确认同轴线缆周围是否有高频元件及电感器件，调整同轴线缆，观察测试结果，排除外界干扰；
优化开关电源电路的输入，输出滤波电容搭配，大电容搭配小电容，一般是100：1的比例，因为负载运行过程会出现电流用量的频繁变化，增大电容可以显著减小纹波噪声，但到一定程度后效果甚微，根据实际测试调整电容的比例；
在满足输出电流前提下可加大电感量，电感量越大，输出纹波会减小，但动态响应变差，根据实际测试情况调整电感量；
优化输出到反馈端的元件，减小串联电阻，增大并联电容，可以提高开关电源的动态响应，优化纹波噪声；
优化PCB的布局及走线，较长的走线，过孔都会引入较大的干扰，在走线中间，过孔处增加去耦电容；
选择动态响应比较好的功率变换器，可以优化重载下的纹波噪声；
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