使用示波器对电源模块进行纹波测量

在电源模块物料检测和某些单板测试时，会使用示波器对电源模块进行纹波测量，所以需要了解电源纹波的产生、危害，以及示波器各种探头，用哪种探头测试，最后怎么分析测试的电源纹波是正确的。

关键词：电源纹波;示波器探头;

01电源纹波

1.1、纹波的产生与描述

开关电源设计电路中脉冲宽度调制(PWM)信号或开关器件控制通道的开启与闭合过程中，开关电源功能模块中的储能电感两端的渐变电流及储能电容两端的渐变电压同步进行充放电并叠加在输出端。由于不存在完美的后级滤波，这就造成输出直流分量上叠加了稳定频率的纹波电压，就是所谓的直流开关电源的纹波。纹波频率的大小与开关电源中开关信号的频率保持一致，一般频率保持在几十到几百KHz的低频领域。纹波的幅值的大小与开关电源模块设计采用的电容容量和其等效串联电阻有关联，其大小可用峰峰值描述，一般保持在输出直流电压的3%内。

1.2、纹波的危害

纹波电压过大就会造成一定的危害，比如在电路中产生不希望出现的高频谐波，进而会产生更多、更隐蔽的危害;由于集成电路芯片工作电压越来越低，较强的纹波会对芯片造成浪涌冲击危害，导致其工作不稳定甚至烧毁;干扰其他电路间正在告诉传输的逻辑关系与信号，使图像显示装置、声音播放装置或其传输的信息受到干扰，影响正常图像以及声音质量。

02示波器探头分析以及选择

2.1、探头工作原理

探头目前主要分为无源低压示波器探头以及无源高压示波器探头等种类为主的无源探头和以有缘单端探头及有缘差分探头等种类为主的有源探头。两种的区别就是无源需要供电，有缘类需要进行供电才能工作。

2.2、无源探头采集原理

图2-1是无源探头结构原理：

图2-1 衰减比10：1无源探头结构原理

对于图2-1衰减比例为10：1的无源探头，其内部电路原理中包含等效9MΩ的输入阻抗，此时需要将示波器的输入阻抗设置为高阻1MΩ作为匹配。此时探头内部电路加上示波器内部的串联总阻抗为10MΩ，示波器内部得到的电压将会是串联总线路上分压的1/10，随后示波器内部再通过理论计算将测试到电压幅值数字上放大10倍进行等效还原。

无源探头的优点：

无源探头因为其具有 10 MΩ 的输入阻抗，故它对待测电路的负载效应干扰较小，能覆盖一般被测的低频频段，其耐压能力也强，加之结构简单、通用性及兼容性强，所以在测试领域得到了广泛的应用。

无源探头的缺点：

探头的负载效应通常指当待测电路接上探头后，示波器内部电路及探头电路串联进一步形成了被测电路的并联电路。原被测电路中的一小部分电流被这部分并联电路通过分流进入到示波器内部。如果分流量比较大，则将对原始被测电路上的电路信号产生显著影响。如果不适当地造成很大的负载效应，那么示波器上显示的波形相较于真实波形变化大。无源探头同时将示波器内部底噪也进行放大，导致测到的误差也更大，故不适用于测试纹波小信号。

2.3、有源探头采集原理

图2-2是有源探头结构原理：

图2-2 有源探头采集原理

图2-2，有源探头采集到的纹波小信号经过放大器稳定后再通过阻抗为 50 Ω 的同轴电缆进入示波器内部，同样示波器的输入阻抗需要设置为 50 Ω 完成阻抗匹配。由于有源单端探头通常具有较高阻抗和较低的寄生电容，故可以被设计出极高的带宽，因此它们主要在高频信号的测量领域(G级带宽)内被广泛使用。使用有源单端探头的好处是可以测量到极高带宽频段，然而因为需要在探头内部集成放大电路，故其设计及制造成本相对于无源探头会更高，有的价格可达万元级。除价格外，高带宽放大器的信号输入范围很小，所以它的动态范围通常被限制在仅几伏范围之内，整个探头所能承受的最大电压也只有几十伏，操作或设置不当会造成探头内部电路故障。有源差分探头使用差分放大器来专门测试差分信号，即利用其具有较高的共模抑制比及对共模噪声较强的抑制能力，来测试差分信号(一对具有不同相位差及电压差信号，忽略地信号的影响。

2.4、采用衰减比例为1:1的无源示波器探头可以测量电源纹波

对于衰减比例为1:1 的无源示波器探头，其采集测量到的微波信号未经衰减就直接经过同轴传输线传至示波器内部，示波器内部底噪不会被同步计算放大就直接显示，测量噪声引起的误差更小。它的耐压相对于高衰减比无源示波器探头低的多，但它具备了测试低压小信号的有利条件。但是因为无源探头这种设计本身存在着输入阻抗较低的缺陷，所以当测量高输出阻抗的纹波信号时，探头的负载效应将会比较明显，造成测量值误差偏大。又因为探头内部存在的容抗可以和后端示波器内存在的阻抗间接形成低通滤波器，可能对采集到的波形进行衰减，将会造成测量值误差偏小。综合来讲，这种探头更适用于测量较低输出阻抗及频率的开关电源电路纹波小信号。

03测试纹波的步骤

3.1、设置耦合

示波器耦合常见方式包含直流耦合方式和交流耦合方式，此外高端示波器还有低频耦合和高频耦合方式等。可以将示波器 Y 轴档位调小，利于进行纹波小信号的观察，使用交流耦合方式，从而忽略开关电源的直流输出及降低对电压敏感的探头损坏的概率。

3.2、设置带宽

带宽限制应被设置到 20 MHz，以降低测试探头拾取到存在于电源产生及测试环境的高频噪声及干扰，来尽量保证真正纹波信号本身测量结果的精准。纹波频率通常低于 1 MHz，此时示波器设置的 20 MHz 带宽仍满足测试需求。

3.3、设置阻抗

示波器测量通道阻抗设置只有1 MΩ 与 50 Ω 两种，但使用无源探头时，须采用1 MΩ 进行匹配。

3.4、设置探头衰减比例

衰减比例 10 ：1 的探头虽然提升了测试带宽，但是对于纹波小信号的测量造成更多的干扰。因为被测纹波小信号幅度本身就小，再衰减 10 倍将会淹没在示波器的底噪中，即使后期示波器再做 10 倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有丝毫优化及改善。故对于纹波小信号的测量应采用 1 ：1 的探头。

3.5、探头接入方法

测试中应该使用原装测试专用短针或者接地弹簧针保证地线环路小。由于整个纹波小信号测试环路比较大，会引入更多的空间电磁辐射噪声、地环路噪声及较多的 EMI 辐射噪声等进入到探头的采集信号回路中，如图3-1所示，将导致显示的纹波包含其他噪声信号的成分，致使测试误差增大。所以要尽可能减小探头探测点的间距，来减小环路面积及干扰。

图3-1 探头环路形成的空间电磁场环路

04测试案例

测试5V电源纹波波形图如图4-1所示：

图4-1 电源5V的纹波

图4-1测得电源纹波电压为8.5mV左右，纹波的频率在109KHz。因为电源电压为5V，所以其可以容许的纹波电压是在3%以内：

式(1.1)表明纹波电压满足要求，因为开关电源MOS开关频率在100KHz，测得的频率是109KHz，其相差不大，所以也满足测试要求。