如何測量開關模式電源 (SMPS) 中的噪聲

MOSFET 的開關動作產生交替周期，其中電流首先流入電感器，然后電感器放電。這會導致大的 dI/dt 和大的電壓尖峰。我們期待這種噪音。問題是 LC 濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸到電路的其余部分方面有多有效。

本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202305/446326.htm

就其性質而言，nSMPS 的輸出端會有一些開關噪聲。畢竟，它們設計用于使用脈沖寬度調制（或脈沖頻率調制）信號切換來自較高直流電源的電流，然后使用 2 極 LC 濾波器對其進行濾波。
MOSFET 的開關動作產生交替周期，其中電流首先流入電感器，然后電感器放電。這會導致大的 dI/dt 和大的電壓尖峰。我們期待這種噪音。問題是 LC 濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸到電路的其余部分方面有多有效。
SMPS 的典型輸出電壓將在開關頻率處顯示紋波。一個重要的指標是當穩壓器沒有負載時以及當它加載應用中的典型負載電阻時有多少紋波。
測量開關模式電源中的噪聲
我近有一個低噪聲應用，我想嘗試使用成本非常低的 3.3 V SMPS；僅需要 50 mA 的負載電流。我有一個評估板，我將其連接到 5 V 壁式電源并用一個簡單的 10× 探頭測量輸出。我的測量配置如圖 1 所示。

圖 1.使用 10× 探頭測量輸出電壓軌。

DC 電平在 3.3 V 時剛剛好。憑借我的 Teledyne LeCroy HDO 8108 示波器的 12 位分辨率和大偏移能力，我能夠抵消該電壓，以便我可以放大紋波噪聲并尋找慢速信號直流漂移。圖 2 顯示了在 10 mV/div 刻度上測得的電壓噪聲。

圖 2.使用10 倍探頭在 10 mV/div 的刻度上測得的 SMPS 輸出噪聲。

切換器的 20 微秒周期（對應于 50 kHz 的切換頻率）非常明顯。三角形脈沖預計來自電感器電流的充電和放電周期。但是，除了這個預期的特征之外，還有兩種類型的高頻噪聲。平坦區域有 10 mV 的峰峰值噪聲，尖銳的尖峰噪聲有時會上升到 60 mV 的峰峰值。
高頻噪聲和尖銳的噪聲尖峰令人不安。這沒有被 2 極 LC 濾波器過濾掉。如果我使用這個電源，我將如何確保我的電路板在所有這些噪聲的情況下仍能保持足夠的功能？
然而，事實證明，這種噪聲實際上并不是電源輸出端的電壓噪聲。這都是我的探頭接收到的射頻信號。
區分電壓噪聲與 RF 拾取
通過 LC 濾波器中的電感器的大 dI/dt 會導致在 SMPS 附近產生大磁場。任何具有低電感路徑的環路都會產生磁感應電流，這些電流會產生我們用示波器測量的電壓。
我連接到 SMPS 引線的 10× 探頭構成了一個環形天線，可以接收這些尖峰信號。您的個想法可能是，10× 探頭的不是有一個 9 MΩ 的電阻嗎？這不是一個可以防止在環路中感應出任何交流電流的大阻抗嗎？
有一個 9 MΩ 電阻器，但也有一個 10 pF 并聯電容器，高頻電流流經的均衡器電路的一部分。在 100 MHz 時，10 pF 電容器的阻抗僅為 160 Ω，低得驚人。
為了測試其中一些噪聲實際上是探頭中的 RF 拾取而不是電源軌上的實際噪聲的想法，我將一個小型 SMA 連接器焊接到電路板的輸出端以減少環形天線面積和對輻射的敏感度領域。此外，我在測量 SMPS 輸出電壓的探頭附近添加了另一個 10× 探頭，但第二個探頭的與地線短路。這種設置使我能夠同時使用 10× 探頭測量輸出軌、通過 SMA 連接器的輸出軌和本地 RF 噪聲（由與地線短路的探頭拾?。?。如圖 3 所示。

圖 3.使用兩個 10× 探頭和同軸 1× 連接來測量 SMPS 輸出上的電壓噪聲。

圖 4 顯示了使用這三種方法測量的噪聲。

圖 4. SMPS 輸出上的測量電壓。所有通道均采用相同的 10 mV/div 刻度。

探頭衰減影響 SNR
有兩個重要的觀察結果。首先，1× 同軸電纜的一般噪聲水平遠低于 10× 探頭。這實際上是因為 10× 探針不是 10× 探針，而是 0.1× 探針。它將信號衰減 10 倍，將其幅度降低 20 dB。當我們測量小信號電平時，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。
大多數示波器都足夠智能，可以識別通道上連接了一個 10× 探頭。它們會自動調整顯示的電壓刻度以補償十倍衰減并顯示電壓。因此，當示波器以 10 mV/div 刻度顯示信號時，它實際上是在放大器上使用 1 mV/div 刻度。我們在看到的幾乎 10 mV 峰峰值噪聲實際上是示波器放大器上大約 1 mV 峰峰值噪聲。
使用 SMA 連接的同軸電纜實際上是一個 1× 探頭。該跡線也以 10 mV/div 的刻度顯示。在這種情況下，1 mV 峰峰值放大器噪聲或多或少包含在跡線的線寬內。  
這表明了一個重要的測量實踐：當我們查看低幅度信號（例如電源軌噪聲）時，任何 10 倍衰減探頭都會將我們的 SNR 降低 20 dB。當每個 dB 都很重要時，不要使用衰減探頭。
同軸連接與示波器探頭
第二個觀察結果是同軸電纜連接中不存在大而尖銳的尖峰，但存在于兩個 10× 探頭測量中。由于其中一個探頭甚至沒有接觸到軌輸出，這強烈表明尖銳尖峰噪聲是由 RF 拾取引起的，而不是 SMPS 輸出上的電壓噪聲。
這表明了第二個重要的測量實踐：在測量低幅度信號時，使用盡可能靠近同軸電纜連接的測量裝置，以減少探頭的環路面積及其作為天線的有效性。
如果我們實施這兩個測量實踐，我們將在 3.3 V 軌中獲得 30 mV 的峰峰值紋波噪聲。這是 1% 的紋波，對于低成本 SMPS 來說相當不錯。此外，高頻噪聲大大降低，并且短時瞬變（實際上以 RF 拾取噪聲而不是軌電壓噪聲的形式存在）不再顯示為切換器輸出信號的一部分。
頻域中的噪聲
只要我在靠近我的電源和信號路徑的地方使用地平面，這是一個重要的設計實踐，由這個 SMPS 供電的設備和我板上的信號將只看到由 SMPS 產生的 50 kHz 紋波的諧波開關電源。
使用直接同軸、低噪聲連接，我測量了來自 SMPS 的電源軌上的噪聲頻譜。圖 5 顯示了一個示例。

圖 5.電源軌上的噪聲頻譜。頂部是時變頻譜圖，超過 10 秒，顯示出非常穩定的振幅。在此標度上，0 dBmV 是 1 mV 振幅噪聲。

頻譜中的峰值是開關頻率的 50 kHz 諧波。諧波的幅度約為 10 dBmV，即 3 mV。這遠小于時域中測得的 30 mV 峰峰值電壓。這是因為紋波噪聲的占空比很低。諧波處的短時三角脈沖中沒有太多正弦波。大量的高次諧波表明時域波形的奇特形狀及其高頻成分。
在大約 3 MHz 以上時，所有開關噪聲的振幅均低于 10 μV。對于我的應用，這是一個可接受的噪聲水平，實際上對于這樣一個低成本的 SMPS 來說它是非常低的。
結論
本文討論了有關開關模式電源實際產生的電壓噪聲的重要考慮因素，并提出了兩種測量實踐，可幫助您對開關穩壓器的輸出軌進行的示波器測量。