Roland van Roy | AN079 from RICHTEK
輸出電壓紋波是開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要參數(shù)。某些負(fù)載對(duì)供電的電壓紋波非常敏感，而某些Vcore對(duì)供電電壓的要求很高，需滿(mǎn)足嚴(yán)格的容受范圍。準(zhǔn)確測(cè)量紋波不容易，特別是對(duì)于高頻開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器。
本文將解釋DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出紋波，并提供有用的設(shè)計(jì)技巧，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
書(shū)接前文[ 深度好文 | RICHTEK DC-DC輸出紋波測(cè)量注意事項(xiàng)(1) ]...
/ 技巧3：了解寄生效應(yīng) /
轉(zhuǎn)換器輸出紋波可能會(huì)受到組件寄生參數(shù)的影響，特別是在較高的開(kāi)關(guān)頻率下。
輸出電容ESR將向輸出紋波中添加一個(gè)三角波電壓。MLCC電容的ESR非常低，約為3至5m?。
聚合物電容的ESR較高，通常在10至50m?之間。對(duì)于這些類(lèi)型，輸出紋波中的三角波形將更加明顯。
輸出電容還具有寄生串聯(lián)電感ESL。對(duì)于MLCC類(lèi)型，ESL相當(dāng)小，約為0.2至0.4nH，但聚合物電容的ESL較高，約為1至2nH。在降壓轉(zhuǎn)換器中，ESL將會(huì)在總電壓中添加一個(gè)方波。不同電容器寄生參數(shù)的影響顯示在圖5中。
圖5
電感具有寄生并聯(lián)電容，取決于結(jié)構(gòu)、尺寸和額定值，范圍從幾個(gè)到10~15pF不等。電感的并聯(lián)電容將使一些快速邊緣的開(kāi)關(guān)波形轉(zhuǎn)移到輸出，導(dǎo)致測(cè)得波形中的高頻尖峰（見(jiàn)圖6）。您需要將示波器設(shè)置為高頻寬以查看這些尖峰。
圖6
/ 技巧4：影響紋波測(cè)量的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的噪聲源 /
輸出紋波通常很小，因此示波器需要設(shè)置為高電壓靈敏度。這種設(shè)置很容易受到電源產(chǎn)生的雜訊的影響。
最常見(jiàn)的雜訊源之一是電感的漂移磁場(chǎng) (stray magnetic field)。許多常見(jiàn)的便宜電感是半屏蔽的I型磁心，其繞線周?chē)F氧體粉末環(huán)氧樹(shù)脂。
這些電感仍會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的漂移磁場(chǎng)。任何附近的回路都會(huì)收到一些漂移磁場(chǎng)，并且回路電感會(huì)在回路端產(chǎn)生一小部分方波電壓。
圖7顯示了一個(gè)尺寸緊密的降壓轉(zhuǎn)換器電路板，帶有半屏蔽線圈，以及示波器探頭帶有相對(duì)較大的接地線環(huán)。
這個(gè)環(huán)可能會(huì)捕捉到電感的漂移磁場(chǎng)，而導(dǎo)致在輸出電壓紋波測(cè)量中增加一個(gè)方波。
圖7
圖8（紅色波形）顯示了在測(cè)量時(shí)受到漂移磁場(chǎng)影響可能產(chǎn)生的輸出紋波波形：可以看到開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的方波被附加在紋波電壓上。附加波形的極性取決于電感的方向和接收回路的方向。
圖8
在底部的紅色波形中，波形中的電壓步階可能是由輸出電容器的ESL引起的，或者是由電場(chǎng)輻射進(jìn)入探頭尖端和接地的測(cè)量回路引起的。這可以通過(guò)移動(dòng)探頭來(lái)檢查：如果在不同方向移動(dòng)探頭環(huán)時(shí)，超載方波有振幅變化，表示雜訊是由于探頭環(huán)的漂移場(chǎng)引起。這就是為什么在測(cè)量靠近電感時(shí)，探頭尖端到探頭地端的回圈要最小化的重要原因。
另一種檢查的方法是在PCB上反轉(zhuǎn)電感的方向：如果附加波形的極性反轉(zhuǎn)，則表示紋波波形中的電壓跳躍也來(lái)自于探頭環(huán)的漂移場(chǎng)。
圖9顯示了一種更好的測(cè)量輸出紋波的方法：長(zhǎng)接地線被環(huán)繞在探頭尖端接地環(huán)周?chē)亩虖椈伤〈?。這種方式可以顯著減小了接地回圈的面積，并減少了漂移場(chǎng)的影響。
圖9
然而，在某些情況下，即使是更小的回圈仍然會(huì)耦合雜散磁場(chǎng)，特別是在高頻轉(zhuǎn)換器中，而且是在測(cè)量點(diǎn)非?？拷姼袝r(shí)。對(duì)于這些情況，最好使用一小段扭曲的電線，讓輸出電容器端的回圈面積變得非常小，并且將探頭連接到距離電感有一定距離遠(yuǎn)的地方，如圖10所示。使用扭曲電線的方法也會(huì)更容易將脆弱的探頭尖端連接到測(cè)量點(diǎn)。IC封裝引腳的量測(cè)也可以如此使用。
圖10
/ 技巧5：低噪聲開(kāi)關(guān)信號(hào)測(cè)量 /
有時(shí)可能會(huì)希望同時(shí)可以測(cè)量開(kāi)關(guān)波形和輸出紋波電壓，例如利用開(kāi)關(guān)波形觸發(fā)示波器。當(dāng)直接連接第二個(gè)探頭到開(kāi)關(guān)信號(hào)，如圖11所示，您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種連接會(huì)在輸出紋波電壓測(cè)量上添加大量的開(kāi)關(guān)雜訊。
圖11
在紋波測(cè)量中出現(xiàn)的額外開(kāi)關(guān)雜訊是由于測(cè)量開(kāi)關(guān)波形的CH2探頭的探頭電容引起的：開(kāi)關(guān)信號(hào)的快速上升和下降時(shí)間導(dǎo)致高頻電流脈沖進(jìn)入長(zhǎng)的CH2探頭線。這種高頻電流會(huì)引起大量高頻輻射，而這種高頻雜訊則會(huì)進(jìn)入輸出電壓紋波測(cè)量中。
您可以嘗試使用非常短的接地線來(lái)連接CH2探頭與開(kāi)關(guān)信號(hào)，但更簡(jiǎn)單的解決方法，是最小化CH2探頭中的高頻電流。
可以通過(guò)將CH2探頭放置在靠近開(kāi)關(guān)信號(hào)的位置，而不是直接連接到開(kāi)關(guān)信號(hào)上，來(lái)收集到有用的開(kāi)關(guān)信號(hào)。在這種情況下，CH2探頭中的高頻電流是最小的，且CH1紋波測(cè)量就不受到影響。當(dāng)然，您將失去開(kāi)關(guān)信號(hào)的直流信號(hào)，但對(duì)于在開(kāi)關(guān)波形上觸發(fā)示波器，電容式取樣 (capacitive pick-up) 的效果良好。
一個(gè)簡(jiǎn)單方式可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的開(kāi)關(guān)信號(hào)電容式取樣，就是將一根絕緣的電線焊接到開(kāi)關(guān)信號(hào)上：將電線的絕緣部分部分拉出，并將探頭夾在絕緣的頂部。探頭夾到電線內(nèi)部導(dǎo)線的距離將決定電容式取樣的量。見(jiàn)圖12。
圖12
未完待續(xù)...
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