开关稳压器输出纹波的测量方法

今天分享电源纹波测试相关内容。   开关稳压器因其具有非常高的效率优势，正在各个领域逐渐替代线性稳压器。   但由于开关稳压器通常被认为具有很大的输出纹波(Ripple)，所以很多工程师在高性能和噪声敏感型系统中只考虑使用低压差(LDO)稳压器。   而事实上，现今很多高性能开关稳压器都已经可以实现较小的输出纹波，也同样可以胜任许多高性能应用和噪声敏感型系统。因此，能正确地测量开关稳压器的输出纹波就可以为很多设计提供更好的视角打下更良好的基础。   本期小编就带给大家简单总结一下开关稳压器的测量方法。   开关稳压器   本次用于展示输出纹波测量方法的开关稳压器是矽力杰的SY8843，这是一颗1.5MHz开关频率，3A输出电流的高效率同步降压DC/DC，拥有极小的输出纹波。  

  在测量输出纹波时，不同的测量方法收集到干扰的噪声不同，测量结果掩盖在噪声中，影响了对电源转换器性能的评估。接下来我们将简单介绍测试纹波的常见错误以及正确操作示范。  

示波器测试纹波

我们会使用示波器进行纹波大小的测试。   一个新手工程师可能会用如下错误方式测试输出纹波，并得到以下结果。  

图1 错误示例  

图2 (CH1输出纹波 CH4输出电流)   这种测试方式的错误之处在于，直接使用了示波器探头的长接地引线。这使得信号端和引线形成了较大的环路，从而会引入额外的电感，并在开关转换过程中产生严重的振铃。如图中的大幅度瞬变并不是开关稳压器的实际输出纹波，只是一种测量假象。  

图3 (CH1输出纹波 CH4输出电流)   相较图2，图3是在相同测试方法下开启了示波器的带宽限制测得的结果，这样也只能抑制带宽之外的瞬变，测得的依然并非是实际的纹波状态。  

改善测试纹波

为了减小杂散电感，常见的方法是拆除标准示波器探头的长接地引线，将其管体连接至接地基准点，使整个探测环路最小化。我们可以通过使用ECB 到探头尖端适配器(图4)或者线圈来实现。一个常见的直插电阻就能方便地被DIY成一个线圈(图5)。  

图4 使用ECB到探头尖端适配器 图5 错误示例   下图是使用上述方式测得的输出纹波波形。相较于图3的波形，高频的瞬变已得到了明显的改善。  

图6 (CH1输出纹波 CH4输出电流)   但这仍然不是真正的开关稳压器的输出纹波。这是因为示波器的探测尖端测量的是EVB板的输出，其到开关稳压器的输出之间的走线存在着寄生电感。   为了测量开关稳压器真正的输出纹波，我们建议改为直接在输出电容上进行探测，如图7所示。  

图7 正确示范操作   下图为使用该方法测得的输出纹波波形。  

图8(CH1输出纹波 CH4输出电流)  

正确操作示范

对于只需要关心输出纹波峰峰值大小的应用，图8的结果已经足够了。但是若想要了解更多纹波的细节，那么图8的波形则尚嫌不足。   这是因为我们使用的是常见的X10倍示波器探头，真实的信号会先经过1/10分压进入示波器进行采样。在输入纹波很小，并且经过1/10分压后，其与示波器的本底噪声相近，所以图8的波形上实际叠加了很多示波器的本底噪声。   因此，我们建议使用1倍无源探头或使用­同轴电缆，如图9 所示。  

图9 推荐示例   采用同轴电缆测得的开关稳压器的输出纹波波形如图11所示，我们除了能更准确地测得输出纹波的峰峰值之外，还能看到更多细节，诸如因为输出电容ESL导致的纹波瞬变。这些细节能可以更好地协助工程师进行下一步的设计。  

图10 CH1同轴电缆与CH2 10X探头的测试对比  

图11 使用同轴电缆测得开关稳压器的输出纹波   让我们来简单做一个小结，开关稳压器输出纹波的测量方法过程可以概括如下：   1. 使用示波器的带宽限制功能; 2. 使用ECB到探头尖端适配器或者线圈的方式进行最小环路接地; 3. 直接测量稳压器输出电容两端的信号; 4. 推荐使用1倍探头或­同轴电缆进行测量。

编辑：黄飞