开关电源（SMPS）中的噪声如何测量？

我正在评估一个简单的低成本开关电源（SMPS）上的电压噪声，并且几乎因为这些电源在噪声方面的声誉不佳而下降。
开关稳压器中的输出噪声
就其性质而言，nSMPS的输出会有一些开关噪声。毕竟，它们被设计为使用脉冲宽度调制（或脉冲频率调制）信号从较高直流电源切换电流，然后使用2极LC滤波器对其进行滤波。
MOSFET的开关动作产生交替周期，其中第一电流流入电感器，然后电感器放电。这导致大的dI / dt和大的电压尖峰。我们期待这种噪音。这是一个问题，LC滤波器在防止这些大电压尖峰传输到电路的其余部分方面有多么有效。
SMPS的典型输出电压将在开关频率处显示纹波。一个重要的指标是当调节器没有负载时，以及在应用中加载典型负载电阻时有多少纹波。
测量开关电源中的噪声
我最近有一个低噪声应用，我想尝试使用一个非常低成本的3.3 V SMPS; 仅需要50 mA的负载电流。我有一个评估板，我用5 V墙壁电源连接到电源，用一个简单的10×探头测量输出。我的测量配置如图1所示。

图1.使用10倍探头测量输出电压轨。直流电平在3.3 V时很好。凭借我的TeLEDyne LeCroy HDO 8108示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能够抵消这个电压，这样我就可以放大纹波噪声并且还可以寻找慢速直流漂移。图2显示了10 mV / div刻度下的测量电压噪声。

图2.使用10× 探头的SMPS输出上的测量噪声，标度为10 mV / div。切换器的20微秒周期 - 对应于50kHz的开关频率 - 是显而易见的。从电感器电流的充电和放电循环预期三角形脉冲。但是，除了这个预期的特征之外，还有两种类型的高频噪声。平坦区域存在10 mV峰峰值噪声，尖峰噪声有时会达到60 mV峰峰值。
高频噪音和尖锐的噪音尖峰令人不安。这没有被2极LC滤波器滤除。如果我使用这种电源，我怎么能确保我的电路板能够保持足够的功能，尽管有这些噪音？
然而，事实证明，这种噪音实际上不是电源输出上的电压噪声。在我的探测中，所有射频都是射频。
区分电压噪声与RF拾取
通过LC滤波器中的电感器的大dI / dt导致在SMPS附近产生的大磁场。任何具有低电感路径的环路都会产生磁感应电流，从而产生我们用示波器测量的电压。
我连接到SMPS引线的10倍探头制作了一个环形天线，可以拾取这些尖峰。您的第一个想法可能是，但10×探头的尖端是否有9MΩ电阻？这不是一个阻止任何交流电流在环路中感应的大阻抗吗？
尖端有一个9MΩ的电阻，但也有一个10 pF的并联电容，是均衡器电路的一部分，高频电流通过该电路流过。在100 MHz时，10 pF电容的阻抗仅为160Ω，非常低。
为了测试这些噪声是否真的是探头中的RF拾取而不是电源轨上的实际噪声的想法，我将一个小型SMA连接器焊接到电路板的输出端，以减小环形天线面积和辐射灵敏度领域。此外，我在测量SMPS输出电压的附近添加了另一个10倍探头，但是使用第二个探头，尖端短接到地线。这种设置允许我使用10倍探头同时测量输出轨，通过SMA连接器测量输出轨，以及本地RF噪声（探头拾取，尖端短接到地线ICfans）。如图3所示。

图3.使用两个10×探头和一个同轴1×连接来测量SMPS输出上的电压噪声。

图4. SMPS输出上的测量电压。所有通道都在相同的10 mV / div范围内。探头衰减会影响SNR
有两个重要的观察结果。首先，1×同轴电缆的一般噪声水平远低于10×探头。这实际上是由于10×探针不是10×探针，它是0.1×探针。它将信号衰减10倍，将其幅度降低20 dB。当我们测量小信号电平时，例如几十毫伏，测得的电压对示波器的放大器噪声很敏感。
大多数示波器足够聪明，可以识别出通道上附有10×探头。它们会自动调整显示的电压标度，以补偿十倍因子衰减并显示尖端电压。因此，当示波器以10 mV / div刻度显示信号时，它实际上在放大器上使用1 mV / div刻度。我们所看到的是，尖端噪声的峰值到峰值几乎达到10 mV，实际上在示波器放大器的峰峰值噪声约为1 mV。
使用SMA连接的同轴电缆实际上是1×探头。该迹线也以10 mV / div刻度显示。在这种情况下，1 mV峰峰值放大器噪声或多或少地包含在迹线的线宽内。
这表明了一个重要的最佳测量实践：当我们观察低幅度信号时，例如电源轨噪声，任何10倍衰减探头都会使我们的SNR降低20 dB。当每个dB计数时，请勿使用衰减探头。
同轴连接与示波器探头
第二个观察结果是，同轴连接中不存在大而尖锐的尖峰，而是存在于两个10×探针测量中。由于其中一个探头甚至没有接触到轨道输出，这强烈表明尖峰尖峰噪声是由于RF拾取引起的，而不是SMPS输出上的电压噪声。
这表明第二个重要的最佳测量实践：在测量低幅度信号时，使用尽可能接近同轴连接的测量设置，以减少探头的环路面积及其作为天线的有效性。
如果我们实施这两个最佳测量实践，我们在3.3 V电压轨中具有30 mV的峰峰值纹波噪声。这是1％的纹波，非常适合低成本的SMPS。此外，高频噪声大大降低，并且短时瞬态 - 实际上作为RF拾取噪声而不是轨电压噪声 - 不再作为切换器输出信号的一部分显示。
频域噪声
只要我使用靠近我的电源和信号路径的地平面，这是一个重要的最佳半导体设计实践，由此SMPS供电的设备和我板上的信号将只看到由50 kHz产生的谐波SMPS。
使用直接同轴，低噪声连接，我测量了SMPS电源轨上的噪声频谱。一个例子如图5所示。

图5.电源轨上的噪声频谱。Top 是时变频谱图，超过10秒，显示非常稳定的幅度。在此比例下，0 dBmV是1 mV幅度噪声。频谱中的峰值是开关频率的50 kHz谐波。一次谐波的幅度约为10 dBmV，即3 mV。这远小于在时域中测量的30mV峰峰值电压。这是因为纹波噪声具有如此低的占空比。在一次谐波的短时三角脉冲中没有太多的正弦波。大量高次谐波表示时域中波形的奇怪形状及其高频内容。
所有开关噪声均低于约3 MHz时的10μV幅度。对于我的应用，这是一个可接受的噪音水平，实际上对于这种低成本的SMPS来说它非常低。
结论
本文讨论了关于开关电源实际产生的电压噪声的重要考虑因素，并介绍了两种最佳测量方法，可帮助您对开关稳压器的输出轨进行精确的示波器测量。