开关电源(SMPS)是许多电子元件中常用的DC-to-DC转换器。由于它们的性质，它们可以产生大量的辐射。除非小心谨慎，否则很难区分什么是电源轨道上的实际电压，什么是由于我们探测电路的方式造成的伪影。最近的一个学生设计项目说明了使用最佳测量实践来避免EMI接收和电缆反射噪声的重要性。
在这个项目中，德州仪器的TPS565201 SMPS控制器在一个简单的2层板中实现。该稳压模块(VRM)是一个降压DC-to-DC变换器，实现为降压稳压器。
这意味着控制模块产生脉冲宽度调制(PWM)波形来控制两个MOSFET开关的开关，一个在高侧，一个在低侧。这些门基本上将输入电源电压切换到输出，一个降压电压，在输入电压下产生输出脉冲序列。该电路如图1所示。
图1。简化buck变换器电路，显示PWM控制信号和高、低mosfet切换成低通滤波器。
用一个简单的2极LC低通滤波器将这个高电压脉冲串过滤成它的平均值。降压稳压器的输出电压基本上是脉冲串，经过低通滤波器后，得到平均值。这个平均值是输入电压x PWM信号的占空比。
为了控制稳压输出电压，PWM信号的占空比在反馈电路的控制下变化。测量输出电压，与参考值进行比较，并调整PWM占空比，以使输出电压保持在参考或目标电压的狭窄范围内。
LC电路的极频被调整到远低于PWM波形的开关频率。
在测量电力轨时，无知不是福
描述稳压器输出的第一步是测量输出轨道上的电压。这在名义上设置为3.3 V，输入电压为5v。探头点放置在电路板上，连接一个10倍无源探头来测量输出电压。图2显示了测量设置的特写和Teledyne LeCroy Wave Pro HD 12位瞄准镜测量的轨道电压。
图2。测量设置与10倍无源探头和测量输出电压的空载稳压器。瞄准镜输入为1meg直流耦合。
除非特别注意，这些10倍探针的测量带宽约为100 MHz，受探针输入电容10 pF的并联谐振和尖端环电感通常为100 nH的限制。
这一测量的初步解释是，轨道电压为3.3 V，但有约200 mV的轨道峰间纹波和超过1v的峰间高频噪声。这种高频噪声有可能在任何数字电路中引起实际问题，是一个主要问题。但这是真的吗?
识别工件#1:EMI拾取
SMPS监管机构因吵闹而臭名昭著。就其性质而言，它们能在短时间内切换高电流，并能产生显著的辐射发射。一个简单的测试，以确定有多少轨道噪音是真实的，有多少是由于电磁干扰探测器，是定位一个类似的探头，其尖端短在一起。这将是敏感的EMI拾取，但不对电压噪声在轨道上。
图3显示了测量配置的示例和来自这两个探头的测量电压的特写，每个范围通道设置相同，作为1 Meg输入，交流耦合。
图3。比较电源轨上的直接直流测量电压和EMI拾取噪声，使用类似的探针，尖端短接在一起，未连接到电源轨上。
从未连接到导轨的探头拾取到的电压噪声几乎与与导轨接触的探头拾取到的电压噪声相同，强烈表明噪声都是射频拾取。
那么，轨道上实际的电压噪声是什么呢?获得真实测量值的唯一方法是以一种使探针的环路面积最小化的方式探测轨道。这就是为什么如果想要真正测量轨道电压噪声，在轨道电压上添加一个同轴连接通常是一个好主意。
识别伪影#2:电缆中未端部的反射
将同轴电缆连接到板上的SMA，直接进入范围，允许不容易受到电磁干扰的路径。图4显示了与10倍探头相比，同轴电缆连接的测量电压噪声。虽然EMI拾取振幅较小，但它仍然存在，而且令人惊讶的是，与10倍探头测量到的EMI拾取频率不同!
图4。测量轨道上的电压噪声使用10x无源探头和直接同轴连接到范围均在1meg输入，交流耦合。
此外，在同轴连接上的振铃噪声是一个非常高的Q振铃，持续几十个周期。如何测量从同一源接收到的不同频率的EMI ?
当我们有一个由快速边缘、低阻抗源驱动的传输线连接并在示波器上有1 Meg输入时，经常会看到这种振铃。这正是我们所设计的。消除这种测量伪影的方法是在范围内使用50欧姆的输入。
在测量动力轨时，避免了50欧姆量程输入的这三个问题
在瞄准镜上使用50欧姆输入有三个问题。如果示波器的输入有效值电压大于5v，则有在终端电阻中消耗过多功率并损坏示波器的危险。
在这个特定的轨道上，电压只有3.3。V，所以不是问题。但如果轨道是5v，这将使测量接近可能导致问题的边缘。任何更高的轨道电压都可能损坏瞄准镜。
第二个问题是在50欧姆输入阻抗设置上没有交流耦合。要看到3.3 VDC信号上的小变化意味着刻度必须偏移。在200 mV/div的范围内，该特定示波器的最大偏移量(类似于许多其他供应商的示波器)在50欧姆输入时仅为3.0 V。这使得很难使用垂直电压灵敏度刻度，任何细于200mv /div。
最后，第三个问题是使用50欧姆的量镜输入来测量轨道，我们刚刚将50欧姆的负载连接到轨道上。在3.3 V时，这是66ma的电流负载。当钢轨的设计电压只有500毫安时，这是很重要的。
积极探索救援
要解决这些问题，可以使用主动探测。当专门为动力轨道探测设计时，它们通常被称为“轨道探头”。本项目具体使用的RP4030有一个直流屏蔽电容进入50欧姆的范围内，为高频信号提供50欧姆的终止，但有一个并行的低通有源放大电路，具有+/- 30v DC偏置能力，低频输入阻抗为50k欧姆。
这种组合意味着，同轴电缆在50欧姆终止，但轨道看到一个高直流阻抗。探针在轨道上装载了66个微型apms，微不足道。从电路板到范围的连接是同轴的，因此有最小的EMI拾取。我们可以放大任何灵敏度范围来抵消轨道的直流电压。
图4显示了直流导轨的最终测量结果。事实上，动力轨上的高频噪声峰值小于50 mV，远小于最初测量建议的1v峰值。
图5。10x探头和同轴轨探头测量同一功率轨板的比较。
结论
虽然执行测量很容易，但有时很难避免常见的工件，除非您知道如何预测它们。本例说明了测量SMPS电源轨道上电压噪声时的两个重要伪噪声:(1)来自板辐射的大开关电流的EMI拾取噪声和(2)电源轨道低阻抗和1 Meg输入范围之间的同轴电缆连接中的振铃噪声。
消除这些并且不加载50欧姆负载的方法是首先用同轴连接测量板，然后使用主动导轨探头测量动力导轨。这将消除伪影的主要来源，并使您能够看到所有使用此导轨的电路将看到的电源导轨上的电压，而不是测量伪影。
