最大程度降低開(kāi)關(guān)調節器的輸出紋波和瞬變十分重要，尤其是為高分辨率ADC之類(lèi)噪聲敏感型器件供電時(shí)，輸出紋波在A(yíng)DC輸出頻譜上將表現為獨特的雜散。為避免降低信噪比（SNR）和無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）性能，開(kāi)關(guān)調節器通常以低壓差調節器（LDO）代替，犧牲開(kāi)關(guān)調節器的高效率，換取更干凈的LDO輸出。了解這些偽像可讓設計人員成功將開(kāi)關(guān)調節器集成到更多的高性能、噪聲敏感型應用中。
本文介紹測量開(kāi)關(guān)調節器中的輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變的有效方法。對這些參數的測量要求非常仔細，因為糟糕的設置可能會(huì )導致讀數錯誤，示波器探針信號和接地引線(xiàn)形成的環(huán)路會(huì )導致產(chǎn)生寄生電感。這樣會(huì )增加與快速開(kāi)關(guān)瞬變有關(guān)的瞬變幅度，因此必須保持較短的連接、有效的方法以及寬帶寬性能。此處，采用ADP2114雙通道2 A/單通道4 A同步降壓DC-DC轉換器，演示測量輸出紋波和開(kāi)關(guān)噪聲的方法。這款降壓調節器具有高效率，開(kāi)關(guān)頻率最高可達2 MHz.
輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變
輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變取決于調節器拓撲以及外部元器件的數值與特性。輸出紋波是殘余交流輸出電壓，與調節器的開(kāi)關(guān)操作密切相關(guān)。其基頻與調節器的開(kāi)關(guān)頻率相同。開(kāi)關(guān)瞬變是在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中發(fā)生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示，該值很難精確測量，因為它與測試設置高度相關(guān)。圖1顯示輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變示例。
圖1.輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變
輸出紋波考慮因素
調節器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。較小的電感會(huì )產(chǎn)生更快的瞬變響應，但代價(jià)是電流紋波更大；而較大的電感會(huì )讓電流紋波更小，相應的代價(jià)就是瞬變響應較慢。采用低有效串聯(lián)電阻（ESR）的電容可最大程度減少輸出紋波。帶電介質(zhì)X5R或X7R的陶瓷電容是一個(gè)不錯的選擇。通常使用大電容來(lái)降低輸出紋波，但輸出電容的尺寸和個(gè)數卻是以犧牲成本和PCB面積得來(lái)的。
頻域測量
對電源工程師而言，測量不需要的輸出信號時(shí)，考慮頻率域是非常有用的，它能提供一種更好的視角，了解輸出紋波及其諧波位于哪些離散頻率，以及各自對應哪些不同的功率水平。圖2顯示的是一個(gè)頻譜的例子。這類(lèi)信息可幫助工程師確定所選開(kāi)關(guān)調節器是否適合其寬帶RF或高速轉換器應用。
若要進(jìn)行頻率域測量，可在輸出電容兩端連接一個(gè)50Ω同軸電纜探針。信號通過(guò)隔直電容，終止于頻譜分析儀輸入端的50Ω端接電阻。隔直電容可阻止直流電流穿過(guò)頻譜分析儀，避免直流負載效應。50Ω傳輸環(huán)境可以最大限度減少高頻反射和駐波。
輸出電容是輸出紋波的主要來(lái)源，因此測量點(diǎn)應該盡可能靠近。從信號尖端到接地點(diǎn)的環(huán)路應該盡可能比較小，以便盡量減少可能影響測量結果的額外電感。圖2顯示頻域的輸出紋波和諧波。ADP2114在指定工作條件下，于基頻處產(chǎn)生4 mV p-p輸出紋波。
圖2.采用頻譜分析儀的頻域圖
時(shí)域測量
采用示波器探針時(shí)，不用長(cháng)接地引線(xiàn)可避免形成接地環(huán)路，因為信號尖端和長(cháng)接地引線(xiàn)形成的環(huán)路會(huì )產(chǎn)生額外電感和較高的開(kāi)關(guān)瞬變。
測量低電平輸出紋波時(shí)，使用1×無(wú)源探針或50Ω同軸電纜，而非10×示波器探針，因為10×探針會(huì )使信號衰減10倍，從而使低電平信號降為示波器本底噪聲。圖3顯示的是次優(yōu)探測方法。圖4顯示采用500MHz帶寬設置時(shí)的波形測量結果。高頻噪聲和瞬變屬于長(cháng)接地引線(xiàn)形成的環(huán)路所造成的測量假信號，并非開(kāi)關(guān)調節器所固有。
圖3.接地環(huán)路產(chǎn)生輸出誤差
圖4.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）和交流耦合輸出波形（2）
有幾種方法可以減小雜散電感。一種方法是移除標準示波器探針的長(cháng)接地引線(xiàn)，并將其管體連接至接地基準點(diǎn)。圖5顯示尖端和管體方法。然而，在本例中，尖端連接錯誤的調節器輸出點(diǎn)，而非直接連接輸出電容；正確方法應當是直接與輸出電容相連。接地引線(xiàn)已移除，但PCB上走線(xiàn)引起的電感仍然存在。圖6顯示采用500MHz帶寬設置時(shí)的波形結果。因為移除了長(cháng)接地引線(xiàn)，所以高頻噪聲有所降低。
圖5.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）和交流耦合輸出波形（2）
圖6.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）和交流耦合輸出波形（2）
如圖7所示，使用接地線(xiàn)圈在輸出電容上直接探測可以產(chǎn)生近乎最佳的輸出紋波。開(kāi)關(guān)瞬變的噪聲情況有所改善，且PCB上的走線(xiàn)電感大幅下降。但是，紋波上還是明顯疊加了低幅度信號輪廓，如圖8所示。
圖7.通過(guò)接地線(xiàn)圈，在輸出電容上采用尖端和管體法進(jìn)行探測
圖8.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）和交流耦合輸出波形（2）
探測開(kāi)關(guān)輸出的最佳方法
探測開(kāi)關(guān)輸出的最佳方法是使用50Ω同軸電纜，該電纜維持在50Ω環(huán)境下，并通過(guò)可選50Ω示波器輸入阻抗端接。在調節器輸出電容和示波器輸入之間放置一個(gè)電容，可阻止直流電流通過(guò)。電纜的另一端可通過(guò)非常短的飛線(xiàn)直接焊接到輸出電容上，如圖9和圖10所示。這樣可以在寬帶寬范圍內測量極低電平信號時(shí)保持信號完整性。圖11顯示500 MHz測量帶寬下，用尖端和管體法與50Ω同軸法在輸出電容端進(jìn)行探測的對比。
圖9.使用端接50Ω同軸電纜的最佳探測法
圖10.最佳探測法示例
圖11.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）、尖端和管體法（3）、50Ω同軸法（2）
這些方法對比顯示，50Ω環(huán)境下使用同軸電纜會(huì )產(chǎn)生更為精確的結果，此時(shí)噪聲較小，即使采用500 MHz帶寬設置也是如此。將示波器帶寬改為20 MHz可消除高頻噪聲，如圖12所示。ADP2114在時(shí)域中產(chǎn)生3.9 mV p-p輸出紋波，接近于采用20 MHz帶寬設置測得的頻域值4 mV p-p.
圖12.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）和輸出紋波（2）
測量開(kāi)關(guān)瞬變
開(kāi)關(guān)瞬變的能量較低，但是頻率成分比輸出紋波高。這種情況會(huì )在開(kāi)關(guān)轉換過(guò)程中發(fā)生，通常標準化為包含紋波的峰峰值。圖13顯示使用帶有長(cháng)接地引線(xiàn)的標準示波器探針與使用50Ω同軸端接電纜（500 MHz帶寬）的開(kāi)關(guān)瞬變測量結果對比。通常，由長(cháng)接地引線(xiàn)造成的接地環(huán)路會(huì )產(chǎn)生比預期更高的開(kāi)關(guān)瞬變。
圖13.開(kāi)關(guān)節點(diǎn)（1）、標準示波器探針（3）、50Ω同軸端接（2）
結論
設計與優(yōu)化低噪聲、高性能轉換器的系統電源時(shí)，輸出紋波和開(kāi)關(guān)瞬變測量方法是非常重要的考慮因素。這些測量方法可實(shí)現精確、可再現的時(shí)域和頻域結果。在較寬的頻率范圍內測量低電平信號時(shí)，維持50Ω的環(huán)境非常重要。進(jìn)行這項測量的一種簡(jiǎn)單的低成本方法是使用合理端接的50Ω同軸電纜。這種方法可用于各類(lèi)開(kāi)關(guān)調節器拓撲結構。 |
