广告

使用电源轨道探头评估电压纹波和噪声

时间:2020-10-20 作者:Kenneth Wyatt 阅读:
在使用普通10X, 10 MΩ无源探头时,即使是短连接引线,仍有大的电感谐振和振铃假信号,这会误导设计人员。在使用AC耦合时,低频带宽也严重受限。这些情况外加测量的电压轨道远超示波器提供补偿DC偏置电压的能力,要求必须使用新型电源轨道探头。
广告
电子工程专辑 EE Times China -提供有关电子工程及电子设计的最新资讯和科技趋势

随着供电电压越来越低,在电源总线上精确测量电源纹波或“噪声”的挑战变得越来越大。电源转换器的开关速度越快,对当今电路提出的带宽要求越高,设计人员也就越来越多地转向整体功率完整性,这些都使得情况变得更加复杂。今天,我们要处理动态负载,其中包括快速瞬态信号、提高的串扰、上升时间更快的耦合和开关稳压器。从EMI角度看,100 mV纹波也能接受的日子已经不再,因为这会耦合共模电流到I/O和电源电缆,导致放射辐射。

我们有必要看一下每种DC电源轨道,看提供的功率是否位于目标系统或器件的容限频带范围内,包括线路的标称DC值,以及存在的任何AC噪声或耦合。电源轨道中的AC噪声可以进一步分为宽带噪声、周期性事件、瞬态事件。

这三种噪声源都影响着到达器件的功率质量,必需把这些噪声源降到目标器件能够正常运行的水平。您必需能够看到和准确测量这些噪声源,才能最大限度地减少这些噪声源。但电源轨道测量带来了多个独特的测量挑战,因此必需考虑以下几个因素:

●带宽要求

●系统噪声和附加探头噪声

●AC或DC输入耦合折衷

●电源轨道的负载挑战

带宽

在考虑许多功率传送系统时,几MHz的测量带宽可能看上去也是合理的,因为大多数电源转换器最多从几百kHz切换到3 MHz。然而,这些开关信号的上升时间只有几纳秒或更快一些,这些快速边沿一般会产生宽带EMI,直到几GHz。再加上快速瞬态信号或其他耦合数字开关,电源轨道很容易会包含高达1 GHz的谐波能量和瞬态信号。

DC偏置和DC/AC耦合

大多数示波器的DC偏置有限,一般是±几伏,以便让显示的波形位于屏幕中心,另外还取决于垂直设置。为产品供电的原始电压可能会在12 ~ 48V,具体视应用而定。这很容易会落在大多数示波器的DC偏置范围之外。您可能会想,AC耦合可以解决这个问题,但这样会牺牲低频带宽,其中一个实例是测量缺失,比如瞬态负载时的电压顶降。

某些微处理器和电源管理集成电路采用节电功能,如动态频率和电压定标,这些功能会根据工作负载改变DC供电电压。使用仪器在AC耦合模式下很难分析这些功能,因为仪器没有显示低频信息。

10X无源探头

在查看各种信号时,高衰减无源探头提供了优异的动态范围,但由于衰减,与低衰减探头相比,其通常会引入更多的测量噪声。这是因为信号除以衰减因数,驱动着它更加靠近测量系统的噪底。因此,普通10X无源探头的信噪比(SNR)远远高于阻抗较低的探头。例如,10X无源探头可能只有5:1 SNR,电源轨道探头则有40:1 SNR。

仪器的噪声性能与垂直灵敏度设置成正比,灵敏度范围越高,噪声性能越好。使屏幕上显示的信号达到最大,将提供更高的分辨率,仪器表示的信号准确度也就越高。垂直灵敏度范围较低,通常会使信号本身显现的峰值噪声要高于实际水平。

电源轨道探头

制造示波器的大多数公司现在都增加了专门设计的专用电源轨道探头,以准确测量低阻抗电源轨道电压(部分实例请参见下面的参考资料部分)。理想的探头在DC处会提供非常高的阻抗,在更高的AC频率(一般在10 ~ 100 kHz)处会变为50 Ω阻抗。

为能够实现这一点,探头有两条路径:一个低频放大器,对DC和更低频率有DC偏置控制;一条单独的容性耦合路径,用于更高的频率到几GHz (图1)。例如,泰克TPP1000 (1 GHz带宽)和TPR4000 (4 GHz带宽)电源轨道探头都有+/- 60V DC偏置,可以处理42V峰值测量。泰克探头从50 kΩ开始,在频率提高时变为50 Ω。其他制造商,包括Keysight和Teledyne LeCroy,探头指标非常类似。

图1: 这个典型的电源轨道方框图显示了高频路径和低频路径。

测量实例

为了说明10X探头和电源轨道探头之间的差异,以及使任何连接电感达到最小的重要意义,我在时域和频域中进行了多次对比测量。在每种情况下,都会显示其中一种开关瞬态信号的振铃,以及峰峰值纹波测量和振铃频率。我还将显示得到的频域响应,显示谐振振铃频率处的峰值。频宽为0 ~ 1 GHz.

对这些测量实例,我将使用泰克6系列MSO (8 GHz带宽)及TPP1000 10X无源探头 (1 GHz带宽)和TPR4000电源轨道探头(4 GHz带宽)。我将使用内置Spectrum View频谱视图应用显示频域信息。

被测器件是1 MHz巴克GaN转换器,1.2V输出,由Efficient Power Conversion (EPC 9101演示电路板)出品。电路板装有一个10-Ω 2W电阻器。我们将在电路板上进行测量,就在输出上。

普通10X无源探头

第一项测量使用泰克TPP1000 (1 GHz带宽, 10 MΩ)及典型的6英寸地线完成(图2)。

图2:这是使用常见的10X无源探头进行的电压纹波测量设置。6英寸地线将增加相当大的电感,导致大的明显的纹波和振铃。

图3: 这是使用无源探头及长引线得到的测量结果。

看一下图3中的时域波形(底部),我们看到振铃是550 mVp-p,振铃频率是214 MHz。然而,您可以看到一个相对较大的第二个谐波试图通过(时域波形中的二级纹波)。频谱画面(顶部)显示振铃频率上的谐振峰值和第二个谐波分别是214 MHz和433 MHz。

在下一个测量中,我们将使用相同的10X无源探头,但使用一条短地线夹到探头接地上。注意,尽管我们可以进行这样的纹波和噪声测量,但如果我们想在更高的电压轨道上进行相同的测量,比如12 ~ 48V电源轨道,那么还是会存在问题。

图4:使用无源探头及短地线得到的测量结果。

看一下图4中的时域波形(底部),我们看到振铃现在下降到142 mV p-p,振铃频率现在是570 MHz。频谱画面(顶部)显示了振铃频率处的谐振峰值。

这说明了为什么在测量瞬态波形或开关波形时把任何连接电感降到最小如此重要。测量探头中任何额外的连接电感都会在测量中引入非常高的谐振假信号,进而导致纹波和噪声测量不准确。

电源轨道探头

对比一下上面的测量与泰克TPR4000电源轨道探头,我们可以看到电感纹波和噪声测量的差异非常大。我们将通过两种方式连接转换器电路板样品,一种是使用带有短探头针脚的手持式探头,另一种是使用焊接式同轴电缆附件。

图5: 使用电源轨道探头及短引线得到的测量结果。

看一下图5中的时域波形(底部),我们看到振铃现在进一步下降到70 mV p-p,振铃频率现在是520 MHz。频谱画面(顶部)显示了基础频率520 MHz和第一个副谐波频率222 MHz时的谐振峰值。

看一下图6中的时域波形(底部),我们看到振铃大体相同,是80 mV p-p,振铃频率现在回到220 MHz。频谱画面(顶部)显示了基础振铃频率220 MHz和四阶谐波频率892 MHz时的谐振峰值。

图6:这是使用焊接式同轴电缆附件得到的测量结果。

小结

70 ~ 80 mV p-p的这种测量对优秀的工程设计惯例仍具有重要意义,很容易会耦合产品电缆,导致放射辐射问题。一般来说,我们希望纹波和噪声不超过10 mV,最好能达到1 mV。

您可以看到,在使用普通10X, 10 MΩ无源探头时,即使是短连接引线,仍有大的电感谐振和振铃假信号,这会误导设计人员。在使用AC耦合时,低频带宽也严重受限。这些情况外加测量的电压轨道远超示波器提供补偿DC偏置电压的能力,要求必须使用新型电源轨道探头。

作者:Kenneth Wyatt ,Wyatt Technical Services公司总裁兼首席顾问

(参考原文:Assess voltage ripple and noise with power rail probes

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2020年10月 刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅  

电子工程专辑 EE Times China -提供有关电子工程及电子设计的最新资讯和科技趋势
本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 选择示波器的核心指标及如何用好示波器 示波器是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。在使用示波器时,需要配置的核心参数有带宽、采样率、存储深度和探头。本文以鼎阳示波器和信号源免费的Bode Plot软件为例,解释了如何测量波特图。
  • USB-IF最新PD规范–PD 3.1规格介绍 继PD3.0之后,2021年5月USB-IF在Power Delivery加入了新的规格,并发表PD 3.1规范 (USB Power Delivery Specification Revision 3.1, Version 1.0),以下内容皆以PD 3.1 Spec简称。新的规范中加入EPR (Extend Power Rang) 功能,扩展PD 3.0供电最大瓦数100W的限制,增加到240W (48V 5A) ,并在文件中对其供电要求与行为加以定义,以下章节将由PD 3.1供电规格开始、并介绍EPR这个新功能。
  • 使用LabVIEW测试电力电子的效率 效率对大功率电力应用来说非常关键,而效率测试本就是一个复杂的话题,在测试热效率和WBG器件时会变得更复杂。本文以风力涡轮机为例,用LabVIEW对其进行效率测试。本示例测量了牵引逆变器直流链路和三相交流输出侧的电力参数。
  • 化成分容技术解决动力电池大规模生产瓶颈问题 化成分容技术解决动力电池大规模生产瓶颈问题 近年来,我国电动汽车行业快速发展,保有量持续增长,渗透率也逐步提升。工信部公布的最新数据显示,中国的电动智能汽车在全球范围内
  • 爆料称ZEALER创始人王自如入职格力,担任营销副总裁 有网友在微博爆料称ZEALER(载乐网络科技)创始人王自如加入格力,数码博主@电动派大星表示,上周有格力内部人士透露过此事,内邮上写的王自如入职主管市场营销。有媒体援引的格力内部管理系统图片,王自如目前归属于格力总裁办及文化培训传播中心组织下。
  • 科学家献礼建党百年:在5层原子厚的纳米磁性薄膜上写下 在庆祝中国共产党建党百年之际,北京航空航天大学科研工作者献上了一张特殊的生日“贺卡”——在厚度为5个原子层的纳米磁性薄膜上写下这几个字。这个厚度相当于一张普通打印纸的十万分之一。磁性芯片生产过程中,需将纳米磁性薄膜均匀铺在晶圆(制作硅半导体集成电路所用的衬底)上……
  • 新款iPad Pro 2021成最受欢迎的 由于采用性能相对强大的M1处理器和mini-LED屏幕以及更多的创新,新款iPad Pro 2021已经成为消费者心目中最受欢迎。然而,iPad 2却已经在全球范围内被列入“复古和过时”的名单中。
  • 三星折叠屏手机Galaxy Z Fold 3 目前来看,折叠屏新机作为一种新的生产力工具,逐渐成为高端/平板的一种趋势,有报料称三星的Galaxy Z Fold 3发布时间或为7月,并且会引入新手势操控。

  •  Cirrus Logic宣布同意收购Lion S Cirrus Logic近日宣布已达成协议,以3.35亿美元现金收购位于美国加利福尼亚的Lion Semiconductor。此次收购为智能手机、笔记本电脑和其他设备的电源应用带来了独特的知识产权和产品,并加速了公司高性能混合信号业务的增长。预计 Lion Semiconductor将立即增加 GAAP 和非 GAAP 每股收益,从交易完成到 2022 财年结束之间贡献约 6000 万美元的收入。
  • 2021国产IP和定制芯片生态大会成功 7月6日,2021国产IP和定制芯片生态大会在上海盛大召开,本次大会由中国高端IP和芯片定制企业芯动科技主办,是国内首个聚焦IP技术和产品合作的行业生态大会,适应了产业链上下游对合作共赢的企盼,有力助推国产自主化风口……
  • 苹果、脸书入局泡沫市场,元宇宙是AR/VR的救星吗? 苹果六年憋不出个产品,Facebook卖一台亏一台,就这还能一年融资224亿的市场,别再让人失望了啊喂!来源:硅兔赛跑(ID: sv_race)作者|Eric编辑 | 梓 首图来源:网络在经
  • 刚过去的一百天里,这 20 家中国公司成了独角兽 2021年Q2 中国有20家企业融资后估值达到10亿美金意思。来源 | IT桔子作者 |  IT桔子IT 桔子作为新经济创投数据库,持续追踪中国独角兽公司的出现与发展。我
  • 海内外需求同步增长,又有五家LED公司业绩报喜! 近日,海内外LED企业不断传来喜讯。在全球市场逐步复苏,照明、显示等需求持续增长的推动下,多数LED厂商的营收规模及盈利能力均实现了不同程度的改善。Cree LED营收超出预期7月7日,Cree LE
  • 拆解50年前的松下收录机,电路板细节值得一看 收了一台松下的老收录机,Panasonic RQ-517S型,1975年左右生产的。全晶体管分立电路没有集成电路芯片,带调频调幅双波段收音,单卡单声道录放音。这机子收来的时候有故障,开机是持续的嗒嗒的
  • 【案例】南山图书馆智能书库AGV应用 此项目采用智能仓储、堆垛机、穿梭车、AGV机器人技术,实现图书的高密度存储和高效率分拣 文|凯乐士深圳南山图书馆,是深圳南山区标志性的文化建筑之一。图书馆占地面积13700平方米,馆舍建筑面
  • 到底该如何看待5G? 从商业的角度来说,“5G”真的是一个绝佳的好名字。短短的两个字符,简洁明了,既容易记忆,也便于传播。对于普通大众来说,他们一眼就能看出,5G是4G的升级,是更为先进的通信技术。然而,站在技术的角度来说
  • 一个“言语粗俗”的李想,如何撑起理想的高端化? 不利于理想汽车高端化发展的定位。文 | 李平来源 | 砺石商业评论“造谣我们用水银的人和媒体,祝愿你们血液里流动着水银,脑子里装满了水银!” 一场突如其来的“水银门”事件,再次让理想汽车与其
  • 怎么选择一款示波器?核心指标 示波器(英语:oscilloscope)是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。它能够将时变的电压信号,转换为时间域上的曲线,原来不可见的电气信号,就此转换为在二维平面上直观可见光信号,因此能够
  • 【直播预告】Dialog ZVS方案助您以低BOM成本将100W+充电器缩小多达50% 亲爱的朋友们,Dialog半导体公司将于7月13日(周二)上午10:00-11:00举办线上研讨会,向您介绍Dialog独特的AC/DC零电压开关(ZVS)解决方案,以及该方案如何帮助您以极低的BOM
  • Q3硅料价格将小幅下探,Q4或将重回上涨通道 2021年是中国开启“碳中和”征程的元年,今年两会,“碳达峰、碳中和”概念首次写入政府工作报告,国家及各省市对于光伏行业的装机规划、能源消纳、用电补贴等方面均出台了大量政策,光伏应用市场不断利好,终端
广告
热门推荐
广告
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了