電源的紋波測(cè)試

　　以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK（也有測(cè)有效值的），去除示波器控頭上的夾子與地線（因?yàn)檫@個(gè)本身的夾子與地線會(huì)形成環(huán)路，像一個(gè)天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊），使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個(gè)10UF電解電容與一個(gè)0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測(cè)試;如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測(cè)量

　　紋波是疊加在直流信號(hào)上的交流干擾信號(hào)，是電源測(cè)試中的一個(gè)很重要的標(biāo)準(zhǔn)。尤其是作特殊用途的電源，如激光器電源，紋波則是其致命要害之一。所以，電源紋波的測(cè)試就顯得極為重要。

　　電源紋波的測(cè)量方法大致分為兩種：一種是電壓信號(hào)測(cè)量法；另一鐘是電流信號(hào)測(cè)量法。

? ? ? ? 一般對(duì)于恒壓源或紋波性能要求不大的恒流源，都可以用電壓信號(hào)測(cè)量法。而對(duì)于紋波性能要求高的恒流源則最好用電流信號(hào)測(cè)量法。

? ? ?　電壓信號(hào)測(cè)量紋波是指，用示波器測(cè)量疊加在直流電壓信號(hào)上的交流紋波電壓信號(hào)。對(duì)于恒壓源，測(cè)試可以直接用電壓探頭測(cè)量輸出到負(fù)載上的電壓信號(hào)。對(duì)于恒流源的測(cè)試，則一般是通過使用電壓探頭，測(cè)量采樣電阻兩端的電壓波形。整個(gè)測(cè)試過程中，示波器的設(shè)置是能否采樣到真實(shí)信號(hào)的關(guān)鍵。

　　所用的儀器是：配有電壓測(cè)量探頭的TDS1012B示波器。測(cè)量之前需要進(jìn)行如下設(shè)置。

　　1.通道設(shè)置：

　　耦合：即通道耦合方式的選擇。紋波是疊加在直流信號(hào)上的交流信號(hào)，所以，我們要測(cè)試紋波信號(hào)就可以去掉直流信號(hào)，直接測(cè)量所疊加的交流信號(hào)就好。

　　寬帶限制：關(guān)

　　探頭：首先選用電壓探頭的方式。然后選擇探頭的衰減比例。必須與實(shí)際所用探頭的衰減比例保持一致，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實(shí)的數(shù)據(jù)。比如，所用電壓探頭放在×10檔，則此時(shí)，這里的探頭的選項(xiàng)也必須設(shè)置為×10檔。

　　2.觸發(fā)設(shè)置：

　　類型：邊沿

　　信源：實(shí)際所選擇的通道，如，準(zhǔn)備用CH1通道進(jìn)行測(cè)試，則此處就應(yīng)該選擇為CH1。

　　斜率：上升。

　　觸發(fā)方式：如果是在實(shí)時(shí)地觀察紋波信號(hào)，則選擇‘自動(dòng)’觸發(fā)。示波器會(huì)自動(dòng)跟隨實(shí)際所測(cè)信號(hào)的變化，并顯示。這個(gè)時(shí)候，你也可通過設(shè)置測(cè)量按鈕，實(shí)時(shí)地顯示你所需要的測(cè)量的數(shù)值。但是，如果你想要捕捉某次測(cè)量時(shí)的信號(hào)波形，則需要將觸發(fā)方式設(shè)置為‘正常’觸發(fā)。此時(shí)，還需要設(shè)置觸發(fā)電平的大小。一般當(dāng)你知道你所測(cè)量的信號(hào)峰值時(shí)，將觸發(fā)電平設(shè)置為所測(cè)信號(hào)峰值的1/3處。如果不知道，則觸發(fā)電平可以設(shè)置的稍微小一些。

　　耦合：直流或交流…？（似乎沒什么區(qū)別）

　　3.采樣長(zhǎng)度（秒/格）：

　　采樣長(zhǎng)度的設(shè)置決定能否采樣到所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng)所設(shè)置的采樣長(zhǎng)度過大時(shí)，就會(huì)漏掉實(shí)際信號(hào)中的高頻成分；當(dāng)所設(shè)置的采樣長(zhǎng)度過小時(shí)，就只能看到所測(cè)實(shí)際信號(hào)的局部，同樣無(wú)法得到真實(shí)的實(shí)際信號(hào)。所以，在實(shí)際測(cè)量時(shí)，需來回旋轉(zhuǎn)按鈕，仔細(xì)觀察，直到所顯示波形是真實(shí)的完整的波形。

　　4.采樣方式：

　　可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定。如，要求測(cè)量紋波的P-P值，則最好選擇峰值 測(cè)量法。采樣次數(shù)也可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定，這與采樣頻率及采樣長(zhǎng)度有關(guān)。

　　5.測(cè)量：

　　通過選擇對(duì)應(yīng)通道的峰值測(cè)量，示波器就可以幫你把所需要的數(shù)據(jù)及 時(shí)顯示出來。同時(shí)也可以選擇對(duì)應(yīng)通道的頻率、最大值、均方根值等。

　　通過對(duì)示波器進(jìn)行合理設(shè)置和規(guī)范的操作，一定可以得到所需的紋波信號(hào)。但是，在測(cè)量過程中一定要注意防止其它信號(hào)對(duì)于示波器探頭自身的干擾，以免所測(cè)量的信號(hào)不夠真實(shí)。

　　通過電流信號(hào)測(cè)量法測(cè)量紋波值是指，測(cè)量疊加在直流電流信號(hào)上的交流紋波電流信號(hào)。對(duì)于紋波指標(biāo)要求比較高的恒流源，即要求紋波比較小的恒流源，采用電流信號(hào)直接測(cè)量法可以得到更加真實(shí)紋波信號(hào)。與電壓測(cè)量法不同的是，這里還用到了電流探頭。比如，繼續(xù)用上述的示波器，再加一個(gè)電流放大器（）和一個(gè)電流探頭。此時(shí)，只需用電流探頭夾住輸出到負(fù)載的電流信號(hào)，就可以進(jìn)行電流測(cè)量法來測(cè)量輸出電流的紋波信號(hào)了。與電壓測(cè)量法一樣，整個(gè)測(cè)試過程中，示波器及電流放大器的設(shè)置是能否采樣到真實(shí)信號(hào)的關(guān)鍵。

　　其實(shí)，用這種方法測(cè)量時(shí)，示波器的基本設(shè)置及用法與上述相同。不同的是，通道設(shè)置中探頭的設(shè)置有所不同。在這里，需要選則電流探頭的方式。然后，選擇探頭的比例，必須與放大器所設(shè)置的這個(gè)比例相同，這樣從示波器所讀取數(shù)才是真實(shí)的數(shù)據(jù)。比如，所用放大器的這個(gè)比例設(shè)置為5A/V，則此時(shí)示波器的這一項(xiàng)也需設(shè)置為5A/V。至于電流放大器的耦合方式，當(dāng)示波器的通道耦合已經(jīng)選擇為交流耦合時(shí)，則這里選擇交流或直流都可以。需要注意的是，用這種方法時(shí)，需先打開示波器，然后再打開電流放大器。且，記得在使用前對(duì)電流探頭先消磁。

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　　如何進(jìn)行電源紋波的精確測(cè)量

　　在圖 1 所示的示例中，一名初級(jí)工程師完全錯(cuò)誤地使用了一臺(tái)示波器。他的第一個(gè)錯(cuò)誤是使用了一支帶長(zhǎng)接地引線的示波器探針；他的第二個(gè)錯(cuò)誤是將探針形成的環(huán)路和接地引線均置于電源變壓器和開關(guān)元件附近；他的最后一個(gè)錯(cuò)誤是允許示波器探針和輸出電容之間存在多余電感。該問題在紋波波形中表現(xiàn)為高頻拾取。在電源中，存在大量可以很輕松地與探針耦合的高速、大信號(hào)電壓和電流波形，其中包括耦合自電源變壓器的磁場(chǎng)，耦合自開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)，以及由變壓器互繞電容產(chǎn)生的共模電流。

　 ? ? 1.使用了接地線很長(zhǎng)的示波器探針。

　　2.讓由探針和接地線形成的回路靠近功率變壓器和開關(guān)元件。

　　3.允許在示波器探針和輸出電容之間形成額外的電感。

　　利用正確的測(cè)量方法可以大大地改善測(cè)得紋波結(jié)果。首先，通常使用帶寬限制來規(guī)定紋波，以防止拾取并非真正存在的高頻噪聲。我們應(yīng)該為用于測(cè)量的示波器設(shè)定正確的帶寬限制。其次，通過取掉探針“帽”，并構(gòu)成一個(gè)拾波器（如圖 2 所示），我們可以消除由長(zhǎng)接地引線形成的天線。將一小段線纏繞在探針接地連接點(diǎn)周圍，并將該接地連接至電源。這樣做可以縮短暴露于電源附近高電磁輻射的端頭長(zhǎng)度，從而進(jìn)一步減少拾波。

　　最后，在隔離電源中，會(huì)產(chǎn)生大量流經(jīng)探針接地連接點(diǎn)的共模電流。這就在電源接地連接點(diǎn)和示波器接地連接點(diǎn)之間形成了壓降，從而表現(xiàn)為紋波。要防止這一問題的出現(xiàn)，我們就需要特別注意電源設(shè)計(jì)的共模濾波。另外，將示波器引線纏繞在鐵氧體磁心周圍也有助于最小化這種電流。這樣就形成了一個(gè)共模電感器，其在不影響差分電壓測(cè)量的同時(shí)，還減少了共模電流引起的測(cè)量誤差。圖 2 顯示了該完全相同電路的紋波電壓，其使用了改進(jìn)的測(cè)量方法。這樣，高頻峰值就被真正地消除了。

　　實(shí)際上，集成到系統(tǒng)中以后，電源紋波性能甚至?xí)谩Ｔ陔娫春拖到y(tǒng)其他組件之間幾乎總是會(huì)存在一些電感。這種電感可能存在于布線中，抑或只有蝕刻存在于 PWB 上。另外，在芯片周圍總是會(huì)存在額外的旁路電容，它們就是電源的負(fù)載。這二者共同構(gòu)成一個(gè)低通濾波器，進(jìn)一步降低了電源紋波和/或高頻噪聲。在極端情況下，電流短時(shí)流經(jīng) 15 nH 電感和 10 μF 旁路電容的一英寸導(dǎo)體時(shí)，該濾波器的截止頻率為 400 kHz。這種情況下，就意味著高頻噪聲將會(huì)得到極大降低。許多情況下，該濾波器的截止頻率會(huì)在電源紋波頻率以下，從而有可能大大降低紋波。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師應(yīng)該能夠找到在其測(cè)試過程中如何運(yùn)用這種方法的途徑。

　　電源輸出紋波簡(jiǎn)介

　　理想狀態(tài)時(shí)，電源輸出的直流電壓應(yīng)為一固定值， 但是很多時(shí)候它是通過交流電壓整流、濾波后得來的，或多或少會(huì)有剩余的交流成分，這種包含周期性與隨機(jī)性成分的雜波信號(hào)我們稱之為紋波。較大的紋波會(huì)影響CPU與GPU正常工作，這個(gè)數(shù)值越小越好。

　　● 判定紋波的標(biāo)準(zhǔn)

　　Intel在ATX12V 2.31規(guī)范中規(guī)定+12V輸出紋波不得超過120毫伏，+3.3V與+5V紋波不得超過50毫伏，這個(gè)量對(duì)于大多品牌電源是非常寬裕的，筆者測(cè)試過的絕大多數(shù)電源都不會(huì)超過這個(gè)數(shù)值，但幾乎所有山寨電源在滿載時(shí)紋波都會(huì)超標(biāo)，內(nèi)部用料設(shè)計(jì)可想而知。

　　其實(shí)，我們完全可以把電源的紋波圖案和聲音的波譜聯(lián)系到一起。當(dāng)聲音震動(dòng)頻率十分高時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)聲音波譜雜亂甚至高低偏離十分明顯的情況。這和電源紋波中的表現(xiàn)情況是相對(duì)一樣的。

　　PBzone輸出紋波測(cè)試設(shè)定

　　電源每路輸出負(fù)載的紋波值與該路的電流值有很大關(guān)系，一般電源在輕載下紋波是絕不會(huì)超標(biāo)的，所以我們記錄三種狀態(tài)下的紋波：100%負(fù)載、+12V聯(lián)合輸出滿載、+3.3V輸出滿載，+5V輸出滿載。在測(cè)試三路輸出滿載時(shí)，我們把其中一路按照銘牌標(biāo)稱滿載，另外兩路的電流均設(shè)定為2A。

　　紋波測(cè)試結(jié)果其實(shí)不難看懂，上面兩張圖分別是高頻與低頻的截圖，兩種紋波值相加即為最終結(jié)果。請(qǐng)大家單擊一張圖放大，會(huì)發(fā)現(xiàn)圖的最下面一行有兩個(gè)數(shù)值，縱向分度值20.0mV，和橫向分度值10.0us。我們只需要關(guān)注mV這個(gè)數(shù)值，20.0mV代表Y軸網(wǎng)格每一格等于20mV，第一張圖的波峰與波谷相隔大致一個(gè)網(wǎng)格，就意味著10.0us的高頻紋波峰-峰值大約是20mV*1=20mV。此外還要注意代表低頻的10.0ms，即右圖，右圖中除去毛刺后的高頻紋波峰-峰值大約是1個(gè)網(wǎng)格即20.0mV。高頻與低頻相加即為該路輸出的紋波值，兩者相加為40mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Intel規(guī)定的120mV，所以測(cè)試結(jié)果可以說非常優(yōu)秀。