在電源模塊物料檢測(cè)和某些單板測(cè)試時(shí)，會(huì)使用示波器對(duì)電源模塊進(jìn)行紋波測(cè)量，所以需要了解電源紋波的產(chǎn)生、危害，以及示波器各種探頭，用哪種探頭測(cè)試，最后怎么分析測(cè)試的電源紋波是正確的。

關(guān)鍵詞：電源紋波;示波器探頭;

01電源紋波

1.1、紋波的產(chǎn)生與描述

開關(guān)電源設(shè)計(jì)電路中脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號(hào)或開關(guān)器件控制通道的開啟與閉合過(guò)程中，開關(guān)電源功能模塊中的儲(chǔ)能電感兩端的漸變電流及儲(chǔ)能電容兩端的漸變電壓同步進(jìn)行充放電并疊加在輸出端。由于不存在完美的后級(jí)濾波，這就造成輸出直流分量上疊加了穩(wěn)定頻率的紋波電壓，就是所謂的直流開關(guān)電源的紋波。紋波頻率的大小與開關(guān)電源中開關(guān)信號(hào)的頻率保持一致，一般頻率保持在幾十到幾百KHz的低頻領(lǐng)域。紋波的幅值的大小與開關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)采用的電容容量和其等效串聯(lián)電阻有關(guān)聯(lián)，其大小可用峰峰值描述，一般保持在輸出直流電壓的3%內(nèi)。

1.2、紋波的危害

紋波電壓過(guò)大就會(huì)造成一定的危害，比如在電路中產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的高頻諧波，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生更多、更隱蔽的危害;由于集成電路芯片工作電壓越來(lái)越低，較強(qiáng)的紋波會(huì)對(duì)芯片造成浪涌沖擊危害，導(dǎo)致其工作不穩(wěn)定甚至燒毀;干擾其他電路間正在告訴傳輸?shù)倪壿嬯P(guān)系與信號(hào)，使圖像顯示裝置、聲音播放裝置或其傳輸?shù)男畔⑹艿礁蓴_，影響正常圖像以及聲音質(zhì)量。

02示波器探頭分析以及選擇

2.1、探頭工作原理

探頭目前主要分為無(wú)源低壓示波器探頭以及無(wú)源高壓示波器探頭等種類為主的無(wú)源探頭和以有緣單端探頭及有緣差分探頭等種類為主的有源探頭。兩種的區(qū)別就是無(wú)源需要供電，有緣類需要進(jìn)行供電才能工作。

2.2、無(wú)源探頭采集原理

圖2-1是無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)原理：

圖2-1 衰減比10：1無(wú)源探頭結(jié)構(gòu)原理

對(duì)于圖2-1衰減比例為10：1的無(wú)源探頭，其內(nèi)部電路原理中包含等效9MΩ的輸入阻抗，此時(shí)需要將示波器的輸入阻抗設(shè)置為高阻1MΩ作為匹配。此時(shí)探頭內(nèi)部電路加上示波器內(nèi)部的串聯(lián)總阻抗為10MΩ，示波器內(nèi)部得到的電壓將會(huì)是串聯(lián)總線路上分壓的1/10，隨后示波器內(nèi)部再通過(guò)理論計(jì)算將測(cè)試到電壓幅值數(shù)字上放大10倍進(jìn)行等效還原。

無(wú)源探頭的優(yōu)點(diǎn)：

無(wú)源探頭因?yàn)槠渚哂?10 M? 的輸入阻抗，故它對(duì)待測(cè)電路的負(fù)載效應(yīng)干擾較小，能覆蓋一般被測(cè)的低頻頻段，其耐壓能力也強(qiáng)，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、通用性及兼容性強(qiáng)，所以在測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

無(wú)源探頭的缺點(diǎn)：

探頭的負(fù)載效應(yīng)通常指當(dāng)待測(cè)電路接上探頭后，示波器內(nèi)部電路及探頭電路串聯(lián)進(jìn)一步形成了被測(cè)電路的并聯(lián)電路。原被測(cè)電路中的一小部分電流被這部分并聯(lián)電路通過(guò)分流進(jìn)入到示波器內(nèi)部。如果分流量比較大，則將對(duì)原始被測(cè)電路上的電路信號(hào)產(chǎn)生顯著影響。如果不適當(dāng)?shù)卦斐珊艽蟮呢?fù)載效應(yīng)，那么示波器上顯示的波形相較于真實(shí)波形變化大。無(wú)源探頭同時(shí)將示波器內(nèi)部底噪也進(jìn)行放大，導(dǎo)致測(cè)到的誤差也更大，故不適用于測(cè)試紋波小信號(hào)。

2.3、有源探頭采集原理

圖2-2是有源探頭結(jié)構(gòu)原理：

圖2-2 有源探頭采集原理

圖2-2，有源探頭采集到的紋波小信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器穩(wěn)定后再通過(guò)阻抗為 50 ? 的同軸電纜進(jìn)入示波器內(nèi)部，同樣示波器的輸入阻抗需要設(shè)置為 50 ? 完成阻抗匹配。由于有源單端探頭通常具有較高阻抗和較低的寄生電容，故可以被設(shè)計(jì)出極高的帶寬，因此它們主要在高頻信號(hào)的測(cè)量領(lǐng)域(G級(jí)帶寬)內(nèi)被廣泛使用。使用有源單端探頭的好處是可以測(cè)量到極高帶寬頻段，然而因?yàn)樾枰谔筋^內(nèi)部集成放大電路，故其設(shè)計(jì)及制造成本相對(duì)于無(wú)源探頭會(huì)更高，有的價(jià)格可達(dá)萬(wàn)元級(jí)。除價(jià)格外，高帶寬放大器的信號(hào)輸入范圍很小，所以它的動(dòng)態(tài)范圍通常被限制在僅幾伏范圍之內(nèi)，整個(gè)探頭所能承受的最大電壓也只有幾十伏，操作或設(shè)置不當(dāng)會(huì)造成探頭內(nèi)部電路故障。有源差分探頭使用差分放大器來(lái)專門測(cè)試差分信號(hào)，即利用其具有較高的共模抑制比及對(duì)共模噪聲較強(qiáng)的抑制能力，來(lái)測(cè)試差分信號(hào)(一對(duì)具有不同相位差及電壓差信號(hào)，忽略地信號(hào)的影響。

2.4、采用衰減比例為1:1的無(wú)源示波器探頭可以測(cè)量電源紋波

對(duì)于衰減比例為1:1 的無(wú)源示波器探頭，其采集測(cè)量到的微波信號(hào)未經(jīng)衰減就直接經(jīng)過(guò)同軸傳輸線傳至示波器內(nèi)部，示波器內(nèi)部底噪不會(huì)被同步計(jì)算放大就直接顯示，測(cè)量噪聲引起的誤差更小。它的耐壓相對(duì)于高衰減比無(wú)源示波器探頭低的多，但它具備了測(cè)試低壓小信號(hào)的有利條件。但是因?yàn)闊o(wú)源探頭這種設(shè)計(jì)本身存在著輸入阻抗較低的缺陷，所以當(dāng)測(cè)量高輸出阻抗的紋波信號(hào)時(shí)，探頭的負(fù)載效應(yīng)將會(huì)比較明顯，造成測(cè)量值誤差偏大。又因?yàn)樘筋^內(nèi)部存在的容抗可以和后端示波器內(nèi)存在的阻抗間接形成低通濾波器，可能對(duì)采集到的波形進(jìn)行衰減，將會(huì)造成測(cè)量值誤差偏小。綜合來(lái)講，這種探頭更適用于測(cè)量較低輸出阻抗及頻率的開關(guān)電源電路紋波小信號(hào)。

03測(cè)試紋波的步驟

3.1、設(shè)置耦合

示波器耦合常見(jiàn)方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器還有低頻耦合和高頻耦合方式等。可以將示波器 Y 軸檔位調(diào)小，利于進(jìn)行紋波小信號(hào)的觀察，使用交流耦合方式，從而忽略開關(guān)電源的直流輸出及降低對(duì)電壓敏感的探頭損壞的概率。

3.2、設(shè)置帶寬

帶寬限制應(yīng)被設(shè)置到 20 MHz，以降低測(cè)試探頭拾取到存在于電源產(chǎn)生及測(cè)試環(huán)境的高頻噪聲及干擾，來(lái)盡量保證真正紋波信號(hào)本身測(cè)量結(jié)果的精準(zhǔn)。紋波頻率通常低于 1 MHz，此時(shí)示波器設(shè)置的 20 MHz 帶寬仍滿足測(cè)試需求。

3.3、設(shè)置阻抗

示波器測(cè)量通道阻抗設(shè)置只有1 MΩ 與 50 Ω 兩種，但使用無(wú)源探頭時(shí)，須采用1 MΩ 進(jìn)行匹配。

3.4、設(shè)置探頭衰減比例

衰減比例 10 ：1 的探頭雖然提升了測(cè)試帶寬，但是對(duì)于紋波小信號(hào)的測(cè)量造成更多的干擾。因?yàn)楸粶y(cè)紋波小信號(hào)幅度本身就小，再衰減 10 倍將會(huì)淹沒(méi)在示波器的底噪中，即使后期示波器再做 10 倍的數(shù)學(xué)放大，對(duì)于信噪比本身也是沒(méi)有絲毫優(yōu)化及改善。故對(duì)于紋波小信號(hào)的測(cè)量應(yīng)采用 1 ：1 的探頭。

3.5、探頭接入方法

測(cè)試中應(yīng)該使用原裝測(cè)試專用短針或者接地彈簧針保證地線環(huán)路小。由于整個(gè)紋波小信號(hào)測(cè)試環(huán)路比較大，會(huì)引入更多的空間電磁輻射噪聲、地環(huán)路噪聲及較多的 EMI 輻射噪聲等進(jìn)入到探頭的采集信號(hào)回路中，如圖3-1所示，將導(dǎo)致顯示的紋波包含其他噪聲信號(hào)的成分，致使測(cè)試誤差增大。所以要盡可能減小探頭探測(cè)點(diǎn)的間距，來(lái)減小環(huán)路面積及干擾。

圖3-1 探頭環(huán)路形成的空間電磁場(chǎng)環(huán)路

04測(cè)試案例

測(cè)試5V電源紋波波形圖如圖4-1所示：

圖4-1 電源5V的紋波

圖4-1測(cè)得電源紋波電壓為8.5mV左右，紋波的頻率在109KHz。因?yàn)殡娫措妷簽?V，所以其可以容許的紋波電壓是在3%以內(nèi)：

式(1.1)表明紋波電壓滿足要求，因?yàn)殚_關(guān)電源MOS開關(guān)頻率在100KHz，測(cè)得的頻率是109KHz，其相差不大，所以也滿足測(cè)試要求。