開關(guān)模式電源（SMPS）上的噪聲有時(shí)會變得很糟糕。

我正在評估一個(gè)簡單的低成本開關(guān)電源（SMPS）上的電壓噪聲，并且由于這些噪聲電源的不良聲譽(yù)幾乎在日益增加。

開關(guān)穩(wěn)壓器中的輸出噪聲

就其性質(zhì)而言，nSMPS的輸出會有一些開關(guān)噪聲。畢竟，它們被設(shè)計(jì)為使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）（或脈沖頻率調(diào)制，PFM）信號從較高直流電源切換電流，然后使用2極LC濾波器對其進(jìn)行濾波。

MOSFET的開關(guān)動作產(chǎn)生交替周期，其中電流首先流入電感器，然后由電感器放電。這導(dǎo)致大的dI / dt和大的電壓尖峰。我們經(jīng)?？梢钥吹竭@種噪音。因此這里有一個(gè)問題：需要確認(rèn)LC濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸?shù)诫娐返钠溆嗖糠址矫嬗卸嗝从行А?/p>

SMPS的典型輸出電壓將在開關(guān)頻率處顯示紋波。一個(gè)重要的指標(biāo)是當(dāng)電源轉(zhuǎn)換器沒有負(fù)載時(shí)，然后在應(yīng)用中加載典型負(fù)載電阻時(shí)有多少紋波。

測量開關(guān)電源中的噪聲

我最近有一個(gè)低噪聲應(yīng)用，我想嘗試使用一個(gè)非常低成本的3.3 V SMPS;僅需要50 mA的負(fù)載電流。我有一個(gè)評估板，我用5 V的墻壁電源連接到這個(gè)SMPS電源上，用一個(gè)簡單的10×探頭測量輸出。我的測量配置如圖1所示。

直流電平在3.3 V時(shí)很好。憑借我的Teledyne LeCroy HDO 8108示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能夠抵消這個(gè)電壓，這樣我就可以放大紋波噪聲，同時(shí)尋找慢速直流漂移。圖2顯示了10 mV / div刻度下的測量電壓噪聲。

開關(guān)周期是20微秒 - 顯而易見對應(yīng)于50 kHz的開關(guān)頻率。從電感器電流的充電和放電循環(huán)預(yù)期三角形脈沖。但是，除了這個(gè)預(yù)期的特征之外，還有兩種類型的高頻噪聲。平坦區(qū)域存在的10 mV峰峰值噪聲，以及有時(shí)會達(dá)到60 mV峰峰值的尖峰噪聲。

高頻噪音和尖銳尖峰的噪聲令人不安。這些噪聲沒有被2極LC濾波器濾除。如果我使用這種電源，我怎么能確保我的電路板能夠保持足夠的我希望實(shí)現(xiàn)的功能，盡管有這些噪音？

然而，事實(shí)證明，這種噪音實(shí)際上不是電源輸出上的電壓噪聲。它們是在我的探針上探測到的所有射頻信號。

區(qū)分電壓噪聲與示波器探針拾起的RF噪聲

通過LC濾波器中的電感器的大dI / dt導(dǎo)致在SMPS附近產(chǎn)生的大磁場。任何具有低電感路徑的環(huán)路都會產(chǎn)生磁感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生電壓，我們可以采用示波器來進(jìn)行測量。

我在連接到SMPS引線的10倍探針頭上制作了一個(gè)環(huán)形天線，可以拾取這些尖峰噪聲。您的第一個(gè)想法可能是，但10×探頭的尖端是否有9MΩ電阻？這不是一個(gè)可以阻止任何交流（AC）電流在環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)的大阻抗嗎？

尖端有一個(gè)9MΩ的電阻，但是它也有一個(gè)10 pF的并聯(lián)電容，這是均衡器電路的一部分，高頻電流通過該電路流過。在100 MHz時(shí)，10 pF電容的阻抗僅為160Ω，非常低。

為了測試這些噪聲是否真的是探頭中的RF拾取而不是電源軌上的實(shí)際噪聲的想法，我將一個(gè)小型SMA連接器焊接到電路板的輸出端，以減小環(huán)形天線面積和輻射靈敏度領(lǐng)域。此外，我在測量SMPS輸出電壓的附近添加了另一個(gè)10倍探頭，但是使用這個(gè)第二探頭，尖端短接到地線。這種設(shè)置允許我使用10倍探頭同時(shí)測量電源輸出軌，通過SMA連接器測量輸出軌，以及本地RF噪聲（探頭拾取，尖端短接到地線）。如圖3所示。

圖3.使用兩個(gè)10×探頭和一個(gè)同軸1×連接來測量SMPS輸出上的電壓噪聲。

圖4顯示了使用這三種方法測量的噪聲。

圖4. SMPS輸出上的測量電壓。所有通道都在相同的10 mV / div范圍內(nèi)。

探頭衰減會影響SNR

有兩個(gè)重要的觀察結(jié)果。首先，1×同軸電纜的平均噪聲水平遠(yuǎn)低于10×探頭。這實(shí)際上是由于10×探針不是真正的10×探針，它是0.1×探針。它將信號衰減10倍，將其幅度降低20 dB。當(dāng)我們測量小信號電平時(shí)，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。

大多數(shù)示波器都足夠聰明，可以識別出有一個(gè)10×探頭連接到通道。它們會自動調(diào)整顯示的電壓標(biāo)度，以補(bǔ)償十倍因子衰減并顯示尖端電壓。因此，當(dāng)示波器以10 mV / div刻度顯示信號時(shí)，它實(shí)際上在放大器上使用1 mV / div刻度。我們所看到的是，在尖端噪聲峰值達(dá)到10 mV峰值時(shí)，示波器放大器的峰峰值噪聲約為1 mV。

使用SMA連接的同軸電纜實(shí)際上是1×探頭。該跡線也以10 mV / div刻度顯示。在這種情況下，1 mV峰峰值的放大器噪聲或多或少地包含在跡線的線寬內(nèi)。

這表明了一個(gè)重要的最佳測量實(shí)踐：當(dāng)我們觀察低幅度信號時(shí)，例如電源軌噪聲，任何10倍衰減探頭都會將我們的SNR降低20 dB。當(dāng)每個(gè)dB計(jì)數(shù)都很重要時(shí)，請勿使用衰減探頭。

同軸連接與示波器探頭

第二個(gè)觀察結(jié)果是，同軸連接中不存在大而尖銳的尖峰，而是存在于兩個(gè)10×探針測量中。由于其中一個(gè)探頭甚至沒有觸及軌道輸出，這強(qiáng)烈表明尖峰尖峰噪聲是由于RF拾取引起的，而不是SMPS輸出上的電壓噪聲。

這表明第二個(gè)重要的最佳測量實(shí)踐：在測量低幅度信號時(shí)，使用盡可能接近同軸連接的測量設(shè)置，以減少探頭的環(huán)路面積及其作為天線的有效性。

如果我們實(shí)施這兩種最佳測量方法，我們在3.3 V電壓軌中具有30 mV的峰峰值紋波噪聲。這是1％的紋波，非常適合低成本的SMPS的噪聲水平。此外，高頻噪聲大大降低，并且短持續(xù)時(shí)間瞬態(tài) - 實(shí)際上作為RF拾取噪聲而不是軌道電壓噪聲 - 不再作為切換器輸出信號的一部分顯示。

頻域噪聲

只要我使用靠近我的電源和信號路徑的地平面，這是一個(gè)重要的最佳設(shè)計(jì)實(shí)踐，由此SMPS供電的設(shè)備和我板上的信號將只看到由50 kHz SMPS產(chǎn)生的諧波。

使用直接同軸，低噪聲連接，我測量了SMPS電源軌上的噪聲頻譜。一個(gè)例子如圖5所示。

圖5.電源軌上的噪聲頻譜。 Top是時(shí)變頻譜圖，超過10秒，顯示非常穩(wěn)定的幅度。在此范圍內(nèi)，0 dBmV是1 mV噪聲幅度。

頻譜中的峰值是開關(guān)頻率的50 kHz諧波。一次諧波的幅度約為10 dBmV，即3 mV。這遠(yuǎn)小于在時(shí)域中測量的30mV峰峰值電壓。這是因?yàn)榧y波噪聲具有如此低的占空比。在一次諧波的短時(shí)三角脈沖中沒有太多的正弦波。大量高次諧波表示時(shí)域中波形的奇怪形狀及其高頻內(nèi)容。

所有開關(guān)噪聲均低于約3 MHz時(shí)的10μV幅度。對于我的應(yīng)用，這是一個(gè)可接受的噪音水平，實(shí)際上對于這種低成本的SMPS來說它已經(jīng)非常低。

結(jié)論

本文討論了關(guān)于開關(guān)電源實(shí)際產(chǎn)生的電壓噪聲的重要考慮因素，并介紹了兩種最佳測量方法，可幫助您對開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出軌進(jìn)行精確的示波器測量。