深度好文 | RICHTEK DC-DC輸出紋波測量注意事項(2)

電源先生(PowerMan) 6天前 98 閱讀 2 贊 3 收藏 0 評論

Roland van Roy | AN079 from RICHTEK

輸出電壓紋波是開關電源轉換器的一個重要參數。某些負載對供電的電壓紋波非常敏感，而某些Vcore對供電電壓的要求很高，需滿足嚴格的容受范圍。準確測量紋波不容易，特別是對于高頻開關式電源轉換器。

本文將解釋DC-DC轉換器的輸出紋波，并提供有用的設計技巧，以獲得更準確的測量結果。

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/ 技巧3：了解寄生效應 /

轉換器輸出紋波可能會受到組件寄生參數的影響，特別是在較高的開關頻率下。

輸出電容ESR將向輸出紋波中添加一個三角波電壓。MLCC電容的ESR非常低，約為3至5m?。

聚合物電容的ESR較高，通常在10至50m?之間。對于這些類型，輸出紋波中的三角波形將更加明顯。

輸出電容還具有寄生串聯電感ESL。對于MLCC類型，ESL相當小，約為0.2至0.4nH，但聚合物電容的ESL較高，約為1至2nH。在降壓轉換器中，ESL將會在總電壓中添加一個方波。不同電容器寄生參數的影響顯示在圖5中。

圖5

電感具有寄生并聯電容，取決于結構、尺寸和額定值，范圍從幾個到10~15pF不等。電感的并聯電容將使一些快速邊緣的開關波形轉移到輸出，導致測得波形中的高頻尖峰（見圖6）。您需要將示波器設置為高頻寬以查看這些尖峰。

圖6

/ 技巧4：影響紋波測量的開關轉換器中的噪聲源 /

輸出紋波通常很小，因此示波器需要設置為高電壓靈敏度。這種設置很容易受到電源產生的雜訊的影響。

最常見的雜訊源之一是電感的漂移磁場 (stray magnetic field)。許多常見的便宜電感是半屏蔽的I型磁心，其繞線周圍包裹著鐵氧體粉末環氧樹脂。

這些電感仍會產生相當大的漂移磁場。任何附近的回路都會收到一些漂移磁場，并且回路電感會在回路端產生一小部分方波電壓。

圖7顯示了一個尺寸緊密的降壓轉換器電路板，帶有半屏蔽線圈，以及示波器探頭帶有相對較大的接地線環。

這個環可能會捕捉到電感的漂移磁場，而導致在輸出電壓紋波測量中增加一個方波。

圖7

圖8（紅色波形）顯示了在測量時受到漂移磁場影響可能產生的輸出紋波波形：可以看到開關轉換器的方波被附加在紋波電壓上。附加波形的極性取決于電感的方向和接收回路的方向。

圖8

在底部的紅色波形中，波形中的電壓步階可能是由輸出電容器的ESL引起的，或者是由電場輻射進入探頭尖端和接地的測量回路引起的。這可以通過移動探頭來檢查：如果在不同方向移動探頭環時，超載方波有振幅變化，表示雜訊是由于探頭環的漂移場引起。這就是為什么在測量靠近電感時，探頭尖端到探頭地端的回圈要最小化的重要原因。

另一種檢查的方法是在PCB上反轉電感的方向：如果附加波形的極性反轉，則表示紋波波形中的電壓跳躍也來自于探頭環的漂移場。

圖9顯示了一種更好的測量輸出紋波的方法：長接地線被環繞在探頭尖端接地環周圍的短彈簧所取代。這種方式可以顯著減小了接地回圈的面積，并減少了漂移場的影響。

圖9

然而，在某些情況下，即使是更小的回圈仍然會耦合雜散磁場，特別是在高頻轉換器中，而且是在測量點非常靠近電感時。對于這些情況，最好使用一小段扭曲的電線，讓輸出電容器端的回圈面積變得非常小，并且將探頭連接到距離電感有一定距離遠的地方，如圖10所示。使用扭曲電線的方法也會更容易將脆弱的探頭尖端連接到測量點。IC封裝引腳的量測也可以如此使用。

圖10

/ 技巧5：低噪聲開關信號測量 /

有時可能會希望同時可以測量開關波形和輸出紋波電壓，例如利用開關波形觸發示波器。當直接連接第二個探頭到開關信號，如圖11所示，您會發現這種連接會在輸出紋波電壓測量上添加大量的開關雜訊。

圖11

在紋波測量中出現的額外開關雜訊是由于測量開關波形的CH2探頭的探頭電容引起的：開關信號的快速上升和下降時間導致高頻電流脈沖進入長的CH2探頭線。這種高頻電流會引起大量高頻輻射，而這種高頻雜訊則會進入輸出電壓紋波測量中。

您可以嘗試使用非常短的接地線來連接CH2探頭與開關信號，但更簡單的解決方法，是最小化CH2探頭中的高頻電流。

可以通過將CH2探頭放置在靠近開關信號的位置，而不是直接連接到開關信號上，來收集到有用的開關信號。在這種情況下，CH2探頭中的高頻電流是最小的，且CH1紋波測量就不受到影響。當然，您將失去開關信號的直流信號，但對于在開關波形上觸發示波器，電容式取樣 (capacitive pick-up) 的效果良好。

一個簡單方式可以實現穩定的開關信號電容式取樣，就是將一根絕緣的電線焊接到開關信號上：將電線的絕緣部分部分拉出，并將探頭夾在絕緣的頂部。探頭夾到電線內部導線的距離將決定電容式取樣的量。見圖12。