這篇文章以實際測試案例說明了測量電源紋波和測量電源噪聲在示波器帶寬要求上的不同及不同帶寬所引起的測量結(jié)果的巨大差異。文章給出了堅硬的結(jié)論和測量結(jié)果。

項目描述

硬件電路的很多問題都和電源相關(guān)，好的電源設(shè)計對于整個硬件電路至關(guān)重要；這篇文章是從一個實際的案例來談一談如何使用示波器較準(zhǔn)確的測量電源的噪聲。

測量對象是在市場上購買的一款I(lǐng)PAD擴容外設(shè)。此設(shè)備是通過在IPAD上安裝對應(yīng)的APP，在充電口加入外圍模塊來實現(xiàn)對IPAD的擴容。

這一款設(shè)備所用的存儲介質(zhì)是MicroSD卡。我們對其中MicroSD卡存儲部分的信號進(jìn)行檢測，檢測這一部分回路是否符合SD規(guī)范。在使用示波器檢測SDVCC電壓的時候，根據(jù)對電源紋波的測量經(jīng)驗，測量電源紋波一般應(yīng)限制20MHZ帶寬。但使用20MHZ帶寬限制與全帶寬500MHZ測量的值差別很大。那么，在此處測量SDVCC的電壓，是否應(yīng)該把帶寬限制在20MHZ？

問題解決

此電路非常簡單，就是通過IPAD的供電口以及數(shù)據(jù)傳輸線對產(chǎn)品進(jìn)行擴容；首先來測量產(chǎn)品給SD供電的電壓波形。按照存儲芯片MicroSD卡供電要求的范圍：2.7V-3.6V；不允許超出此范圍，否則，芯片在不穩(wěn)定的電壓下工作會有比較大的風(fēng)險，甚至?xí)ㄆ恼９ぷ鲙碛绊憽?

首先需要考慮的是示波器的設(shè)置，究竟是否需要進(jìn)行20MHZ的帶寬限制？詳細(xì)的使用環(huán)境如下圖所示：

如何去測試“高頻開關(guān)電源”噪聲

IPAD剛引出來的那個端口可以當(dāng)做電源的源端，而通過后端的外圍模塊后在末端進(jìn)行測試的時候，電源通過了一段PCB走線，包括一些芯片回路，應(yīng)該存在高頻的噪聲，如果采用20MHZ的帶寬限制，實際上是將原本屬于模塊的噪聲給濾掉了，為此，我們進(jìn)行了對比測試進(jìn)行驗證：

第一步，我先驗證IPAD的供電端在工作時的輸出，如下圖：

通過直接驗證IPAD的輸出口的電壓,保證源端的供電是正常的；通過測試，我們發(fā)現(xiàn)在源端測量的電壓值在3.4V（500MHZ帶寬測量）左右，峰峰值最大29mV，是非常穩(wěn)定的供電；

因此，可以排除源端供電的問題，接下來，我們直接在通過整個模塊后在MicroSD卡的供電腳SDVCC對電壓進(jìn)行測量，如下圖：

當(dāng)我們在圖片上的點進(jìn)行測試的時候，發(fā)現(xiàn)在高頻開關(guān)電源上有相當(dāng)大的噪聲，使得電壓超出了規(guī)范要求的范圍，最大值達(dá)到了3.814V，峰峰值最大達(dá)854mV；

但當(dāng)我們將示波器設(shè)置為20MHZ帶寬的時候，高頻開關(guān)電源變的非常好，完全在供電要求的范圍內(nèi)；

正如在本文開頭描述的，在本次高頻開關(guān)電源測試過程中，已經(jīng)不是高頻開關(guān)電源紋波測量，而應(yīng)該是噪聲。類似這類高頻開關(guān)電源電壓的測量，如按照限制20MHZ帶寬進(jìn)行測試，會給測量分析帶來誤判（因為確實存在比較大的噪聲/電壓波動），示波器的前端濾波會將產(chǎn)品本身所存在的噪聲給濾掉了；因此，我們采用了500MHZ的滿帶寬進(jìn)行測試；

但是，通過以上的測試方式是否真實反映了產(chǎn)品的噪聲大小？另外，采用標(biāo)配的無源探頭進(jìn)行測試會對測量結(jié)果帶來多大的偏差？是否在可接受的范圍內(nèi)？還需要進(jìn)一步的驗證；

我們采用了不同接地環(huán)路對相同的測試點進(jìn)行了測量。帶彈簧地的測試回路減少了信號的回流路徑，測試結(jié)果會比直接用原來標(biāo)配的6英寸的效果要好些，但二者的差別較小，而測出來的3.8V的最大值似乎不夠準(zhǔn)確（經(jīng)驗判斷）；之前在示波器操作培訓(xùn)時也了解到示波器標(biāo)配的10:1的無源探頭會對信號測量帶來較大的偏差，10:1的衰減會將示波器的底噪提高10倍；因此，我們將采用1:1衰減，50歐姆的同軸線纜對產(chǎn)品再次進(jìn)行測量，以保證準(zhǔn)確的反映產(chǎn)品的真實狀況，以便于對測試結(jié)果進(jìn)行分析，如下圖：

采用1:1的同軸電纜可以將信號傳輸?shù)穆窂綔p小，另外，示波器直接設(shè)置為1:1衰減，避免了軟件算法對示波器底噪的放大，因此帶來最準(zhǔn)確的測量結(jié)果；

采用同軸線纜測試的結(jié)果，最大值為3.645V，比使用無源探頭3.814V的測量值相差0.169V?？梢娫谛枰龇浅＞珳?zhǔn)的測量的時候，應(yīng)選擇同軸線纜來測量，盡量減小測量誤差。

總結(jié)

本文主要是從測試的角度來分析討論應(yīng)該如何去測試“高頻開關(guān)電源”噪聲。通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

1.如果按照以往高頻開關(guān)電源紋波的測試方法，直接選擇20MHZ的帶寬進(jìn)行測試，將無法正確地反映出高頻開關(guān)電源的真實狀況。在諸如此類的高頻開關(guān)電源電壓的監(jiān)控測量中，應(yīng)考慮到其他高頻噪聲的干擾，不能把示波器帶寬限制在20MHZ。測試一個高頻開關(guān)電源電壓波動應(yīng)選擇怎么樣的帶寬，要具體問題具體分析，要正確判斷是測量紋波還是噪聲，對應(yīng)地選擇如何設(shè)置示波器。

2.如需要更加精準(zhǔn)地測量，需要減小示波器10:1無源探頭帶來的誤差影響，應(yīng)使用1:1衰減的同軸線纜進(jìn)行測量。