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【干货】电源电压纹波测试之打狗棒法和理论秘笈

`张飞┃30天精通反激开关电源设计线上训练营，包教包会！！！


开关电源应用中，输出电压纹波看起来是小菜一碟，但实际操作中测试结果的真实性，一致性，经常困扰攻城狮。

而且知其然，更要知其所以然。

Chipown攻城狮将手把手教你每个纹波测试技法，剖析背后的理论支撑。


背景
出场人物：
1、客户小A（测试攻城狮，软件工程出身，对电源了解不多）；
2、芯朋老司机小M。

测试方案：
芯朋PN8034C 12V0.3A非隔离方案，原理图如下：
1.png


`

回帖（22）

ben111

2019-9-21 11:14:26
打狗棒法第一式
攻城狮小A：
测试板收到了，为啥纹波这么大?

芯朋老司机小M：
有多大？发个图来看下!

攻城狮小A：
1.png

芯朋老司机小M：
这个。。。是有点大，不过，有点不对啊！
带宽设置有问题，要20MHz限制啊，下面这个圈起来的位置，您限制带宽，再看看区别。
1.png
攻城狮小A：
测完了，真的降了好多！
1.png
示波器带宽20MHz，输出电压纹波376mV


武功秘笈之划重点：带宽选择

我们先了解什么是示波器带宽：输入信号衰减 3 dB 所在的最低频率称为示波器的带宽。
1.png

从示波器带宽的定义和上图可以看出，在示波器设置带宽之外的信号，是急剧衰减的。这个可以回答“设置20MHz带宽限制后，测试纹波明显下降”这个现象，20MHz后的信号迅速衰减，所以测试到的信号幅度下降；
示波器中的“20MHz带宽限制”这个选项，是不是满足我们的测试需求？理解测试带宽的选择，我们还需要介绍一个原理：奈奎斯特采样定理：
在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号才能完整地保留了原始信号中的信息；
实际应用中考虑到示波器抗混叠滤波器设计指标，在模拟应用中一般取采样频率为信号最高频率的3～5倍时，才能获得完整的原始信号信息。
一般AC-DC的开关频率都在200KHz以内，DC-DC在3MHz以内，频率都不高；  但开关电源中，开关电源中信号变化最快的是开关管的上升时间，而非开关频率，所以开关电源纹波测量的带宽取决于开关管的上升时间，对于泰克高频示波器，其上升时间Tr=0.35/BW(MHz)，所以，20MHz带宽对应的上升时间是17.5nS；而对于大多数开关管，其上升时间都在100nS的级别，所以这种情况下20MHz是满足5倍被测量信号最高频率的；

小结：信噪比足够大+满足信号测量精度都满足的前提下，选择的带宽才是合适的，20MHz就是大多数情况下开关电源纹波信噪比的最佳选择点（之所以是大多数情况，是因为有特殊情况，比如测试采用新型coolmos作为功率器件的电源时，20MHz就显得小了，需要扩展到300MHz以上）。

敬请期待...

打狗棒法第2式 :武功秘笈之划重点: 探头的选择
打狗棒法第3式: 武功秘笈之划重点 测量位置和接地方式的选择
打狗棒法第4式 :武功秘笈之划重点 输出端并联瓷片电容和电解电容



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王洁民

2019-9-21 15:47:49
谢谢楼主的分享
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ben111

2019-9-21 19:48:29
评论多就上：打狗棒法第2式 ~~
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王栋春

2019-9-21 22:00:30
继续期待楼主分享
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h1654155803.4857

2019-9-22 00:58:33
谢谢楼主，学习了
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h1654155803.4857

2019-9-22 00:58:59
谢谢楼主，学习了
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王洁民

2019-9-22 17:38:44
谢谢楼主的分享
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ben111

2019-9-23 16:52:07
打狗棒法第二式


芯朋老司机小M
嗯，现在是376mV了，不过还是有点大，麻烦把示波器型号和探头拍个照片给在下看看！

攻城狮小A
示波器型号Tektronix MDO3014  100MHz2.5GS/S
1.png
示波器探棒：无源探头衰减比10:1
芯朋老司机小M
额，探头比例也有点问题，请拨到“1X”档！
攻城狮小A
我试试看！
攻城狮小A
果然，从372mV降到272mV了，真神奇。。。

1.png

武功秘笈之划重点: 探头的选择
示波器的输入阻抗和探头的阻抗构成了一条衰减器威廉希尔官方网站 ，示波器会自动检测探头的衰减比并重新调整示波器的垂直量程设置，以反应出探头的衰减。

需要特别注意的是：信号被衰减,但噪声不会被衰减；示波器内软件将衰减的信号放大N倍（N为探头衰减比）,同时噪声也放大N倍。
举例：假设示波器底噪是2mV，我们要测试一个实际为50mV的纹波。
采用1：1的探头，测试到的纹波就是2mV（底噪放大一倍）+50mV（实际）=52mV；
采用10：1的探头，测试到的纹波就是2mV*10（底噪放大10倍）+50mV（实际）=70mV；
采用100:1的探头，测试到的纹波就是2mV*100（底噪放大100倍）+50mV（实际）=250mV；

可以看出，采用100：1的探头测试50mV级别的纹波，结果已经是严重偏离实际情况了。




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陈闽涛

2019-9-24 10:30:03
谢谢楼主，学习了
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ben111

2019-9-28 11:44:19
打狗棒法第3式: 武功秘笈之划重点 测量位置和接地方式的选择

芯朋老司机小M
应该还可以往下挖潜力，您再把测试的全图拍个照来！
攻城狮小A
1.png
芯朋老司机小M
我们继续，把示波器的探头夹到线路板上的输出端，把接地环换掉地线端子！
攻城狮小A
接地环得找找，我先换到板端看看！
攻城狮小A
果然，又降了！神奇！
1.png
攻城狮小A
还能继续吗？
芯朋老司机小M
能，换接地环！
攻城狮小A
我去找，等会儿~
攻城狮小A
是这样吧？
1.png
芯朋老司机小M
是的，效果怎么样？
攻城狮小A
192mV，200mV以内了，老司机可以啊

1.png

武功秘笈之划重点
测量位置和接地方式的选择


开关电源中，随着开关管的动作，会通过电磁干扰产生辐射，而这部分辐射就会被接地夹线与探头形成的线圈给接收到，这部分信号对测量的干扰是不能忽略的，如下图所示。
1.png
减小测试回路面积可以有效改善测试质量，这就是采用测试端直接接在线路板上和测试接头采用接地弹簧（接地环）后测试纹波可以下降的原因。

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ben111

2019-9-30 10:39:03
第4式要不要上呢？请回复
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万冬萱

2019-10-12 12:50:23
学习学习了，谢谢楼主
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ben111

2019-10-13 16:48:36
打狗棒法第四式

芯朋老司机小M
引用: 一般家电用，这样测就可以了。
实际纹波还要小，可以在测试端加一个10uF电解和0.1uF瓷片，用电子负载的时候都会这样。



攻城狮小A
那我得试一下，这样吧？
1.png
芯朋老司机小M
是滴！
攻城狮小A
只有104mV！ 牛了！
1.png
芯朋老司机小M
是的，您看，测试方法对纹波的影响是非常大的！


攻城狮小A
嗯，还得多学习啊，这次谢谢了


芯朋老司机小M
共同进步~


武功秘笈之划重点
输出端并联瓷片电容和电解电容
主要是滤除开关噪声及高频干扰，避免噪声与真正的纹波叠加在一起，干扰测试结果真实性。



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ben111

2019-10-13 16:49:48
大总结

我们回顾下攻城狮小A和芯朋老司机小M关于220V输入，PN8034C 12V0.3A输出的测试过程和结果：
1.png
同一电源只要通过以下5点调整测试方法，输出电压纹波即可得到改善：
  • 示波器宽带限制20MHZ；
  • 示波器探头位置在电源板端（针对家电或者工业控制等控制板，适配器测试应该是放在输出线端）；
  • 示波器探头衰减比尽量选择 1:1，没有1:1探头的条件下用10:1；
  • 示波器探头地线使用接地环（如果没有接地环，可以将地线缠绕在探头正级上）；
  • 输出端并联100nF/50V ，10uF/50V（按实际输出电压选择）。

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lm12041204a

2019-10-16 08:33:47
感谢楼主分享！
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华秋威廉希尔官方网站

2019-10-21 10:51:26
谢谢楼主的分享~
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王汨罗

2019-10-24 16:47:14
good。不错不错不错不错不错不错不错
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万冬萱

2019-10-26 11:48:56
学习学习了，辛苦楼主讲解了
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dmx0829

2019-10-31 12:19:59
谢谢分享学习学习
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