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【零式未来实用小课堂】电源纹波测量—从入门到精通一

零式未来实用小课堂】电源纹波测量—从入门到精通一


作者: 许聪源

摘要: 电源纹波是电源品质的重要指标之一,除了工程师外,普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波,但是具体操作流程存在随意性大,可复现性低等问题。本文从基本概念出发,以Raspberry Pi Pico 为例,介绍了电源纹波测量的基本流程。本文以实测演示对比来描述精通纹波测 量需要掌握的技巧和注意要点,帮助用户实现纹波测量又快又准的目标。本次内容将通过视频和文稿的形式体现,视频和文字内容互为补充。


本篇将按照以下顺序分期叙述:

第一期:经验— 电源测量为什么重要,及电源纹波的概念和基本测量: Raspberry Pi Pico   电源简介、示波器设置、测量波形

第二期:精通纹波测量:用好示波器的自动测量功能、电压探头衰减、接地线的影响

第三期:精通纹波测量:示波器底噪的影响、开启FFT观察纹波的频率分布


总结

第一期:经验—电源测量为什么重要?及电源纹波的概念和基本测量

1.   电源纹波的概念

随着集成电路的发展进步,用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V 左右,用于移动设备的 LP-DDR 系列存储器,供电电 压最高也不超过 1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备,对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外,普通用户在经受低质量电源困扰之后,也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真(Hi-Fi)音响爱好者圈子里,就流传着“火电力度大,水电解析力高,雅鲁藏布江的水电效果好”等段子。更不乏为了改善电源质量,花重金购买一根昂贵的电 源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据,但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。电源品质中,一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波(ripple)通常认为是 在直流电源输出中,叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通 常是在交流转直流过程中,由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是, 虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的,并且原理上不存在纹波,但是对于使用电池供电的设备,我们仍然需要关注电源的纹波。一方面,随着电池容量的消耗,电压会逐渐降低,为了保证用电设备的输入电压恒定,电池的电压会经过 DCDC 转换器进行变换,此时会引入额外的交流分量。另一方面,用电设备对电压的需求不一致,一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨,因此会引入多个电压转换器,进而产生不同的交流分量。

2.   电源纹波的基本测量

这里以一个常见的Raspberry Pi Pico 开发板的电源模块为例,介绍电源纹波测量的基本流程。

2.1 Raspberry Pi Pico 电源简介

Raspberry Pi Pico 是一个小巧实用的 MCU 板子,供电由一颗来自 RICHTEK的RT6150B完成,输出电压是3.3V,电路如图1所示。RT6150B 是一个Buck- Boost转换器,因此输入电压既可以高于也可以低于 3.3V。板子的供电来自USB接口的5V ,实现的是降压转换。值得注意的是,RT6150B有一个Power Save Mode(PSM)。当芯片的7脚(PS)拉低时,PSM启用,芯片工作在PFM模式,效率较高,但是纹波也较高。当PS拉高时,PSM 禁用,芯片工作在PWM模式,轻载时效率降低,但是纹波也较低。


电源纹波图1.png

1:Raspberry Pi Pico 的供电电路


实际测量时,我们通过软件控制PS拉低或拉高,从而使供电模式在PFM和 PWM 之间切换,进而对比二者的差异。测量点位方面,供电输出处有一颗电容C2,我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。

2.2 示波器设置

探头:纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量,因此和普通电压信号测量比较类似,选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减,例如有1X 和 10X 两个档位, 需要设置到没有衰减,即 1X 的档位上。

探头接地线:拔掉。没错,去掉探头上所有的接地延长线,包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件,可以用最短的路径就近接入板上的地线。


垂直通道:设置为AC 耦合;带宽限制设置为20 MHz;本着先粗后细的原则, 垂直刻度可以先设大一些,例如 50mV/div;检查并确认探头的衰减正确设为了1X 。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。


电源纹波图2.png

2:示波器垂直通道设置


时间刻度:本着先粗后细的原则,时间刻度可以先设大一些,例如1mV/div。待后续观察到信号后,再放大查看细节。

触发系统:由于使用AC 耦合,触发电平可以设为 0V,使用边沿触发即可。

2.3 测量波形

使用上述配置,可以测得输出电容两端的交流电压如图3 和图 4 所示。为了方便对比,2张图的垂直刻度都统一设置为了 5mV/div。我们不难发现,相比PWM 模式,PFM模式下,电源的纹波是明显大的,这和 datasheet 的描述是一致的。


电源纹波图3.png

3:PFM 模式的纹波


电源纹波图4.png

4:PWM 模式的纹波

具体纹波的数值,可以通过数格子、光标或示波器的自动测量功能获取




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