测量SMPS电源轨时应避免这两种伪影

开关电源(SMPS)是许多电子元件中常用的dc - dc转换器。就其性质而言，它们会产生大量的辐射。除非采取谨慎措施，否则很难区分电源轨上的实际电压和由于我们探测电路的方式而产生的伪信号。最近的一个学生设计项目说明了使用最佳测量方法来避免EMI拾取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层板上实现。该稳压模块(VRM)是一个降压dc - dc转换器，实现为降压稳压。

这意味着控制模块产生脉宽调制(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电压，一个降压电压，在输入电压处产生一个输出脉冲序列。该电路如图1所示。

图1所示。简化降压转换电路，显示PWM控制信号和高、低mosfet切换到低通滤波器。

一个简单的2极LC低通滤波器被用来过滤这个高电压脉冲序列到它的平均值。降压稳压器的输出电压基本上是脉冲序列，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。

在反馈电路的控制下，改变PWM信号的占空比来控制被调节的输出电压。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电压或目标电压的紧密范围内。

将LC电路的极频调整到远低于PWM波形的开关频率。

在测量电力轨道时，无知不是福

表征稳压器输出的第一步是测量输出轨上的电压。名义上设置为3.3 V，输入电压为5 V。探针点被放置在板上，连接一个10倍的无源探头来测量输出电压。图2显示了测量设置的特写和使用Teledyne LeCroy Wave Pro HD 12位示波器测量的轨道电压。

图2。测量设置有10倍无源探头和被测输出电压的无负载调节器。示波器输入为1meg直流耦合。

除非特别注意，否则这些10倍探头中的一个的测量带宽约为100 MHz，受探针输入电容10 pF和尖端环路电感通常为100 nH的并联谐振的限制。

对这一测量的初步解释是，轨道电压为3.3 V，但有大约200mv的峰对峰纹波和超过1v的峰对峰高频噪声。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监管机构因噪音大而臭名昭著。就其性质而言，它们在短时间内切换高电流，并可能产生显著的辐射排放。一个简单的测试来确定多少轨道噪声是真实的，多少是由于探针中的EMI拾取是定位一个类似的探针，其尖端短在一起。这将对EMI拾取敏感，但对导轨上的电压噪声不敏感。

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近景，每个范围通道设置相同，为1 Meg输入，交流耦合。

图3。比较电源轨上直接直流测量电压和EMI拾取噪声，使用类似的探头，尖端短接在一起，未连接到电源轨。

从未连接到导轨的探头拾取的电压噪声几乎与与导轨接触的探头相同，强烈表明噪声都是RF拾取。

那么，导轨上的实际电压噪声是多少呢?获得真实测量的唯一方法是通过以最小化探针环路面积的方式探测轨道。这就是为什么如果你想要一个真实的轨道电压噪声测量，通常是一个好主意，添加一个同轴连接到轨道电压。

识别伪像#2:电缆中的反射形成非端接端

将同轴电缆连接到电路板上的SMA，直接进入示波器，允许较少受EMI拾取影响的路径。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拾取幅度较小，但它仍然存在，并且令人惊讶的是，其频率与10倍探头测量的EMI拾取不同!

图4。测量轨道上的电压噪声使用10倍无源探头和直接同轴连接到示波器上，输入均为1 Meg，交流耦合。

此外，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。如何测量来自同一信号源的不同频率的电磁干扰?

当我们有一个由快速边缘、低阻抗源驱动的传输线连接，并且在示波器上有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示波器上使用50欧姆的输入。

在测量电源轨时，避免50欧姆范围输入的三个问题

在示波器上使用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，则有在终端电阻中耗散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信号上的微小变化意味着必须对刻度进行偏移。在200 mV/div刻度上，该特定示波器的最大偏移，类似于许多其他供应商的示波器，输入为50欧姆，仅为3.0 V。这使得很难使用比200 mV/div更细的垂直电压灵敏度刻度。

最后，在示波器上使用50欧姆输入来测量这个轨道的第三个问题是，我们刚刚在轨道上连接了一个50欧姆的负载。在3.3 V时，这是一个66ma电流负载。当导轨设计仅为500 mA时，这一点非常重要。

主动探查营救

要解决这些问题，可以使用有源探针。当专门为电力轨道探测设计时，它们通常被称为“轨道探头”。在这个项目中使用的具体RP4030有一个直流阻塞电容进入50欧姆的范围，为高频信号提供50欧姆的终止，但一个并联的低通有源放大器电路具有+/- 30 V直流失调能力和50k欧姆的低频输入阻抗。

这种组合意味着，同轴电缆端接在50欧姆，但导轨看到一个高直流阻抗。探针对轨道的载荷为66微apms，微不足道。从电路板到示波器的连接是同轴的，因此有最小的EMI拾取。我们可以放大任意灵敏度的刻度来抵消导轨的直流电压。

图4显示了直流导轨的最终测量结果。事实上，电源轨上的高频噪声峰值小于50 mV，远低于最初测量建议的1 V峰值。

图5。10x探头与同轴轨探头测量电路板上同一电源轨的比较。

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。这个例子说明了测量SMPS电源轨电压噪声时的两个重要伪影:(1)从电路板辐射的大开关电流产生的EMI拾取噪声;(2)电源轨的低阻抗和示波器的1 Meg输入之间的同轴电缆连接产生的振铃噪声。

消除这些并且不负载50欧姆负载的方法是首先用同轴连接仪表您的板，然后使用有源导轨探头来测量电源导轨。这将消除伪影的主要来源，并使您能够看到电源导轨上的电压，所有使用该导轨的电路都将看到，而不是测量伪影。