如何合理測(cè)量開(kāi)關(guān)電源輸出紋波噪聲

       日前有用戶反映其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量開(kāi)關(guān)電源輸出紋波噪聲峰峰值達(dá)600mV以上，嚴(yán)重超出規(guī)格。經(jīng)過(guò)詳細(xì)溝通后確認(rèn)用戶現(xiàn)場(chǎng)紋波噪聲測(cè)試方法與我們產(chǎn)品的使用手冊(cè)內(nèi)推薦紋波測(cè)量方法存在明顯差異導(dǎo)致。一旦紋波噪聲測(cè)量方法不當(dāng)，很容易導(dǎo)致用戶誤認(rèn)為電源輸出紋波噪聲測(cè)量結(jié)果超標(biāo)，給用戶帶來(lái)不必要的困擾和時(shí)間精力等損失。 

      受開(kāi)關(guān)電源工作機(jī)理的影響，開(kāi)關(guān)電源輸出不可避免地帶有交流紋波和高頻噪聲。因?yàn)椴煌娫磸S家的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)存在些許差異，所以很多用戶對(duì)如何合理測(cè)量電源輸出紋波噪聲比較困惑。

      下面我們簡(jiǎn)要介紹紋波噪聲基礎(chǔ)概念，基于行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)分享紋波噪聲測(cè)試方法并提供幾種常見(jiàn)錯(cuò)誤測(cè)試方法導(dǎo)致的結(jié)果失真。

一、紋波噪聲（Ripple & Noise）概述

      紋波一般指附著于直流電平之上的包含周期性或隨機(jī)成分的雜波。用戶更關(guān)心的直流輸出狹義紋波指輸出電壓上呈現(xiàn)的交流成分峰峰值。開(kāi)關(guān)電源輸出紋波由工頻紋波和高頻紋波兩部分組成。      噪聲是期望信號(hào)之外其他所有信號(hào)的總稱。在電路中除了期望信號(hào)之外的一切其他信號(hào)，不管它對(duì)電路是否造成影響，都可稱其為噪聲。圖1為典型紋波和噪聲示意圖。

圖1

       有些用戶可能會(huì)將噪聲與干擾的概念相混淆，對(duì)其產(chǎn)生普遍的厭惡情緒，其實(shí)這大可不必。噪聲是一種電信號(hào)，即使電路中存在噪聲，也不一定帶來(lái)不良影響。干擾指某種與期望不相符的效應(yīng)。這往往是噪聲因素對(duì)電路施加的一種不良影響。就像自然界中普遍存在的微生物一樣，噪聲也普遍存在于電路之中。當(dāng)微生物數(shù)量失控并對(duì)人體造成不良影響時(shí)，才可以稱之為感染。相對(duì)應(yīng)的是當(dāng)一個(gè)電路中噪聲電平高到足以干擾電路正常工作時(shí)，就會(huì)造成干擾。該噪聲電平就被稱為干擾電壓。

      人體普遍具備一定的免疫能力，足以應(yīng)對(duì)生活中常見(jiàn)的微生物環(huán)境。一個(gè)設(shè)計(jì)合理的電路或元器件也應(yīng)具備適當(dāng)?shù)拿庖吡蚩箶_度。電路或元器件正常工作時(shí)所能承受的更大噪聲電平被稱為該電路或器件的抗擾度。

      我們?nèi)粘Ｔ谧⒁猸h(huán)境衛(wèi)生和控制微生物菌群數(shù)量的同時(shí)也會(huì)注意做好防護(hù)和加強(qiáng)鍛煉來(lái)提升免疫力。對(duì)于一般電子設(shè)備而言，追求的零噪聲代價(jià)比較高。這不符合大部分應(yīng)用的效率、成本和體積等客觀條件。盡管電路中噪聲很難全消除，我們還是可以設(shè)法降低噪聲強(qiáng)度并盡量提高電路的抗擾度，實(shí)現(xiàn)噪聲不會(huì)引起干擾現(xiàn)象。

二、紋波噪聲測(cè)試通用標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)測(cè)試規(guī)范。

       業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的紋波噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)有電子制造行業(yè)通用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IPC-9592B，日本電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B。      圖2為面向計(jì)算機(jī)和通信工業(yè)電源要求的IPC-9592B中功能測(cè)試部分列出的紋波噪聲測(cè)試規(guī)范。

 圖2

      圖3為JEITA RC-9131B中提供的AC-DC電源輸出紋波噪聲測(cè)試規(guī)范。

圖3

      圖4為JEITA RC-9141B中提供的DC-DC電源輸出紋波噪聲測(cè)試規(guī)范。

圖4

        TDK旗下TDK-Lambda品牌基于JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B通用標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)紋波測(cè)試點(diǎn)位置和同軸線纜特征阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)參數(shù)提出了進(jìn)一步細(xì)化要求。圖5和圖6分別為DC-DC模塊電源CN300B110和AC-DC電源HWS1500系列的輸出紋波噪聲測(cè)試方法。

圖5

圖6

 不同的測(cè)試方法往往會(huì)得出不同的測(cè)量結(jié)果。建議用戶在測(cè)試電源輸出紋波噪聲時(shí)，盡量參考電源廠家提供的測(cè)試方法或行業(yè)通用測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，避免因?yàn)闇y(cè)試方法問(wèn)題導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失真，達(dá)不到測(cè)試既定目的。

三、不同測(cè)試條件下紋波噪聲測(cè)量結(jié)果

      我們以TDK-Lambda新款軌道交通行業(yè)專用模塊電源CN300B110-24為例，采用不同測(cè)試方法對(duì)其輸出紋波噪聲進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，詳細(xì)結(jié)果如下：

00001. 

采用10:1低壓探頭，如圖7所示，探頭地線與探針形成大面積環(huán)路。

00002. 

圖7

       實(shí)際紋波測(cè)試點(diǎn)過(guò)于靠近電源，其紋波噪聲實(shí)際測(cè)量結(jié)果受電源近場(chǎng)干擾影響明顯。因?yàn)槭静ㄆ鞯鼐€與探頭形成的一個(gè)天線，其環(huán)路面積越大，撿拾到近場(chǎng)干擾的噪聲電壓越高。圖7所示的感生電壓噪聲峰峰值高達(dá)3100mV，這已經(jīng)失去參考意義。這種失真的測(cè)試噪聲并非開(kāi)關(guān)電源直接輸出的紋波噪聲。在實(shí)際使用中若布線恰當(dāng)合理，實(shí)際上這種噪聲并不會(huì)真正出現(xiàn)在用戶的負(fù)載端。

2. 采用10:1低壓探頭，如圖8所示接地彈簧或螺線管方式確保探針更小環(huán)路面積，示波器低壓探頭線纜從電源上方穿過(guò)。

圖8

       盡管最小化測(cè)量環(huán)路面積降低了拾取的近場(chǎng)輻射噪聲，但是橫跨在電源上方的探頭線纜又引入相當(dāng)多的高頻噪聲，造成測(cè)量結(jié)果失真。

 3.采用10:1低壓探頭，如圖9所示接地彈簧或螺線管方式確保探針更小環(huán)路面積，示波器探頭設(shè)置為全帶寬，測(cè)量紋波噪聲水平高達(dá)665mV。如圖10所示，分別將帶寬調(diào)整為100MHz和20MHz后，紋波噪聲分別降低至431mV和121mV。

圖9

圖10

4. 采用行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的1.5米長(zhǎng)，50歐姆同軸電纜測(cè)量，無(wú)特征阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。圖11為全帶寬測(cè)試結(jié)果為141mV，圖12所示 100MHz和20MHz帶寬下分別為107mV和48mV。

圖11

圖12

5. 嚴(yán)格按照行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)要求，同軸電纜外接特征阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)。圖13左側(cè)為T(mén)形BNC轉(zhuǎn)接頭，內(nèi)部有焊接RC阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)并外加套管保護(hù)。右側(cè)全帶寬紋波噪聲測(cè)試結(jié)果為73mV，圖14所示 100MHz和20MHz帶寬下分別為60mV和36mV。

圖13

圖14

      以上我們分享了同一個(gè)被測(cè)電源CN300B110-24在不同的測(cè)量設(shè)置條件下，其測(cè)量的結(jié)果大相徑庭。只有采用合理的測(cè)試規(guī)范，測(cè)量的結(jié)果才具備可參考性。

      采用10:1探頭會(huì)引入較高的示波器底噪，同軸電纜若沒(méi)有阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)將會(huì)導(dǎo)致高頻噪聲形成反射，帶來(lái)測(cè)量結(jié)果的失真。

四、小結(jié)。

      隨著客戶產(chǎn)品性能、尺寸、效率等指標(biāo)要求不斷提升，用戶對(duì)電源輸出紋波噪聲指標(biāo)也愈發(fā)重視。因?yàn)闇y(cè)試方法不當(dāng)而導(dǎo)致紋波噪聲水平的誤判，這會(huì)給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)不必要的壓力，導(dǎo)致濾波對(duì)策或電源選型方面的過(guò)設(shè)計(jì)。如何利用合理方法來(lái)測(cè)量出“真實(shí)"的輸出紋波噪聲，相信是很多工程師關(guān)注的話題。      TDK-Lambda中國(guó)團(tuán)隊(duì)利用TDK集團(tuán)在各國(guó)市場(chǎng)幾十年積累的高可靠供電產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，扎根本地長(zhǎng)達(dá)二十多年。基于長(zhǎng)期本地化服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，我們提供上述紋波噪聲測(cè)試方法供用戶和業(yè)內(nèi)朋友參考。除了上述內(nèi)容之外，對(duì)紋波噪聲測(cè)試影響較大的還有多個(gè)測(cè)量點(diǎn)參考地串?dāng)_，盡量規(guī)避干擾源，示波器接地等因素。限于篇幅，很多細(xì)節(jié)內(nèi)容不便展開(kāi)。歡迎聯(lián)系我們，進(jìn)一步溝通紋波噪聲或其他電磁兼容相關(guān)內(nèi)容和問(wèn)題。