深入了解開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出紋波和開關(guān)瞬變

　　本文介紹測量開關(guān)調(diào)節(jié)器中的輸出紋波和開關(guān)瞬變的有效方法。對這些參數(shù)的測量要求非常仔細，因為糟糕的設(shè)置可能會導(dǎo)致讀數(shù)錯誤，示波器探針信號和接地引線形成的環(huán)路會導(dǎo)致產(chǎn)生寄生電感。這樣會增加與快速開關(guān)瞬變有關(guān)的瞬變幅度，因此必須保持較短的連接、有效的方法以及寬帶寬性能。此處，采用ADP2114雙通道2 A/單通道4 A同步降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，演示測量輸出紋波和開關(guān)噪聲的方法。這款降壓調(diào)節(jié)器具有高效率，開關(guān)頻率最高可達2 MHz。

　　輸出紋波和開關(guān)瞬變

　　輸出紋波和開關(guān)瞬變?nèi)Q于調(diào)節(jié)器拓撲以及外部元器件的數(shù)值與特性。輸出紋波是殘余交流輸出電壓，與調(diào)節(jié)器的開關(guān)操作密切相關(guān)。其基頻與調(diào)節(jié)器的開關(guān)頻率相同。開關(guān)瞬變是在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示，該值很難精確測量，因為它與測試設(shè)置高度相關(guān)。圖1顯示輸出紋波和開關(guān)瞬變示例。

　　圖1. 輸出紋波和開關(guān)瞬變

　　輸出紋波考慮因素

　　調(diào)節(jié)器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。較小的電感會產(chǎn)生更快的瞬變響應(yīng)，但代價是電流紋波更大;而較大的電感會讓電流紋波更小，相應(yīng)的代價就是瞬變響應(yīng)較慢。采用低有效串聯(lián)電阻(ESR)的電容可最大程度減少輸出紋波。帶電介質(zhì)X5R或X7R的陶瓷電容是一個不錯的選擇。通常使用大電容來降低輸出紋波，但輸出電容的尺寸和個數(shù)卻是以犧牲成本和PCB面積得來的。

　　頻域測量

　　對電源工程師而言，測量不需要的輸出信號時，考慮頻率域是非常有用的，它能提供一種更好的視角，了解輸出紋波及其諧波位于哪些離散頻率，以及各自對應(yīng)哪些不同的功率水平。圖2顯示的是一個頻譜的例子。這類信息可幫助工程師確定所選開關(guān)調(diào)節(jié)器是否適合其寬帶RF或高速轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

　　若要進行頻率域測量，可在輸出電容兩端連接一個50Ω同軸電纜探針。信號通過隔直電容，終止于頻譜分析儀輸入端的50Ω端接電阻。隔直電容可阻止直流電流穿過頻譜分析儀，避免直流負載效應(yīng)。50Ω傳輸環(huán)境可以最大限度減少高頻反射和駐波。

　　輸出電容是輸出紋波的主要來源，因此測量點應(yīng)該盡可能靠近。從信號尖端到接地點的環(huán)路應(yīng)該盡可能比較小，以便盡量減少可能影響測量結(jié)果的額外電感。圖2顯示頻域的輸出紋波和諧波。ADP2114在指定工作條件下，于基頻處產(chǎn)生4 mV p-p輸出紋波。

　　圖2. 采用頻譜分析儀的頻域圖

　　時域測量

　　采用示波器探針時，不用長接地引線可避免形成接地環(huán)路，因為信號尖端和長接地引線形成的環(huán)路會產(chǎn)生額外電感和較高的開關(guān)瞬變。

　　測量低電平輸出紋波時，使用1×無源探針或50Ω同軸電纜，而非10×示波器探針，因為10×探針會使信號衰減10倍，從而使低電平信號降為示波器本底噪聲。圖3顯示的是次優(yōu)探測方法。圖4顯示采用500MHz帶寬設(shè)置時的波形測量結(jié)果。高頻噪聲和瞬變屬于長接地引線形成的環(huán)路所造成的測量假信號，并非開關(guān)調(diào)節(jié)器所固有。

　　圖3. 接地環(huán)路產(chǎn)生輸出誤差

　　圖4. 開關(guān)節(jié)點(1)和交流耦合輸出波形(2)

　　有幾種方法可以減小雜散電感。一種方法是移除標準示波器探針的長接地引線，并將其管體連接至接地基準點。圖5顯示尖端和管體方法。然而，在本例中，尖端連接錯誤的調(diào)節(jié)器輸出點，而非直接連接輸出電容;正確方法應(yīng)當是直接與輸出電容相連。接地引線已移除，但PCB上走線引起的電感仍然存在。圖6顯示采用500MHz帶寬設(shè)置時的波形結(jié)果。因為移除了長接地引線，所以高頻噪聲有所降低。

　　圖5. 開關(guān)節(jié)點(1)和交流耦合輸出波形(2)

　　圖6. 開關(guān)節(jié)點(1)和交流耦合輸出波形(2)

　　如圖7所示，使用接地線圈在輸出電容上直接探測可以產(chǎn)生近乎最佳的輸出紋波。開關(guān)瞬變的噪聲情況有所改善，且PCB上的走線電感大幅下降。但是，紋波上還是明顯疊加了低幅度信號輪廓，如圖8所示。

　　圖7. 通過接地線圈，在輸出電容上采用尖端和管體法進行探測

　　圖8. 開關(guān)節(jié)點(1)和交流耦合輸出波形(2)

　　探測開關(guān)輸出的最佳方法

　　探測開關(guān)輸出的最佳方法是使用50Ω同軸電纜，該電纜維持在50Ω環(huán)境下，并通過可選50Ω示波器輸入阻抗端接。在調(diào)節(jié)器輸出電容和示波器輸入之間放置一個電容，可阻止直流電流通過。電纜的另一端可通過非常短的飛線直接焊接到輸出電容上，如圖9和圖10所示。這樣可以在寬帶寬范圍內(nèi)測量極低電平信號時保持信號完整性。圖11顯示500 MHz測量帶寬下，用尖端和管體法與50Ω同軸法在輸出電容端進行探測的對比。

　　圖9. 使用端接50Ω同軸電纜的最佳探測法

　　圖10. 最佳探測法示例

　　圖11. 開關(guān)節(jié)點(1)、尖端和管體法(3)、50 Ω同軸法(2)

　　這些方法對比顯示，50Ω環(huán)境下使用同軸電纜會產(chǎn)生更為精確的結(jié)果，此時噪聲較小，即使采用500 MHz帶寬設(shè)置也是如此。將示波器帶寬改為20 MHz可消除高頻噪聲，如圖12所示。ADP2114在時域中產(chǎn)生3.9 mV p-p輸出紋波，接近于采用20 MHz帶寬設(shè)置測得的頻域值4 mV p-p.

　　圖12. 開關(guān)節(jié)點(1)和輸出紋波(2)

　　測量開關(guān)瞬變

　　開關(guān)瞬變的能量較低，但是頻率成分比輸出紋波高。這種情況會在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中發(fā)生，通常標準化為包含紋波的峰峰值。圖13顯示使用帶有長接地引線的標準示波器探針與使用50Ω同軸端接電纜(500 MHz帶寬)的開關(guān)瞬變測量結(jié)果對比。通常，由長接地引線造成的接地環(huán)路會產(chǎn)生比預(yù)期更高的開關(guān)瞬變。

　　圖13. 開關(guān)節(jié)點(1)、標準示波器探針(3)、50Ω同軸端接(2)

　　結(jié)論

　　設(shè)計與優(yōu)化低噪聲、高性能轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電源時，輸出紋波和開關(guān)瞬變測量方法是非常重要的考慮因素。這些測量方法可實現(xiàn)精確、可再現(xiàn)的時域和頻域結(jié)果。在較寬的頻率范圍內(nèi)測量低電平信號時，維持50Ω的環(huán)境非常重要。進行這項測量的一種簡單的低成本方法是使用合理端接的50Ω同軸電纜。這種方法可用于各類開關(guān)調(diào)節(jié)器拓撲結(jié)構(gòu)。