電源紋波是電源品質的重要指標之一,除了工程師外,普通用戶也會關心紋波的大小。通常在實驗室中示波器被用來測量電源紋波,但是具體操作流程存在隨意性大,可復現性低等問題。接下來普科科技PRBTEK以實測演示對比來描述精通紋波測量需要掌握的技巧和注意要點,幫助用戶實現紋波測量又快又準的目標。
一、電源紋波的概念
隨著集成電路的發展進步,用電設備的電源電壓越來越低。例如目前主流微處理器的供電電壓已經低至1V左右,用于移動設備的LP-DDR系列存儲器,供電電壓最高也不超過1.8V。這些非常接近硅閾值電壓的用電設備,對電源的品質也提出了越來越高的需求。除了電源工程師會關注電源品質外,普通用戶在經受低質量電源困擾之后,也會通過不同手段來關注、改善電源的質量。例如在高保真(Hi-Fi)音響愛好者圈子里,就流傳著 “火電力度大,水電解析力高,雅魯藏布江的水電效果好” 等段子。更不乏為了改善電源質量,花重金購買一根昂貴的電源線材。Hi-Fi愛好者的部分觀點和行為雖然缺乏足夠的科學依據,但也從一個側面可以反映出電源對用電設備的影響是舉足輕重的。
電源品質中,一個比較重要的指標是電源紋波。電源紋波(ripple)通常認為是在直流電源輸出中,疊加在直流分量上的并不需要的交流分量。這些交流分量通常是在交流轉直流過程中,由于電路的局限性無法完全濾除不需要的頻率分量而產生的。值得注意的是,雖然電池產生的電壓在短時間內是固定不變的,并且原理上不存在紋波,但是對于使用電池供電的設備,我們仍然需要關注電源的紋波。一方面,隨著電池容量的消耗,電壓會逐漸降低,為了保證用電設備的輸入電壓恒定,電池的電壓會經過DCDC轉換器進行變換,此時會引入額外的交流分量。另一方面,用電設備對電壓的需求不一致,一款消費級設備就會需要多個不同的電源軌,因此會引入多個電壓轉換器,進而產生不同的交流分量。
二、電源紋波的基本測量
這里以一個常見的Raspberry Pi Pico開發板的電源模塊為例,介紹電源紋波測量的基本流程。
2.1Raspberry Pi Pico電源簡介
Raspberry Pi Pico是一個小巧實用的MCU板子,供電由一顆來自RICHTEK的RT6150B完成,輸出電壓是3.3V,電路如圖1所示。RT6150B是一個Buck-Boost轉換器,因此輸入電壓既可以高于也可以低于3.3V。板子的供電來自USB接口的5V,實現的是降壓轉換。值得注意的是,RT6150B有一個Power Save Mode(PSM)。當芯片的7腳(PS)拉低時,PSM啟用,芯片工作在PFM模式,效率較高,但是紋波也較高。當PS拉高時,PSM禁用,芯片工作在PWM模式,輕載時效率降低,但是紋波也較低。
圖1:Raspberry Pi Pico的供電電路
實際測量時,我們通過軟件控制PS拉低或拉高,從而使供電模式在PFM和PWM之間切換,進而對比二者的差異。測量點位方面,供電輸出處有一顆電容C2,我們可以測量C2兩端的電壓來測量紋波。
2.2示波器設置
探頭:紋波是疊加在電源直流分量上的一個交流電壓分量,因此和普通電壓信號測量比較類似,選擇一個無源電壓探頭即可。如果探頭上可以設置衰減,例如有1X和10X兩個檔位,需要設置到沒有衰減,即1X的檔位上。
探頭接地線:拔掉。沒錯,去掉探頭上所有的接地延長線,包括最常用的接地夾。探頭的接地要使用接地彈簧。接地彈簧是無源探頭的標準配件,可以用最短的路徑就近接入板上的地線。
垂直通道:設置為AC耦合;帶寬限制設置為20 MHz;本著先粗后細的原則,垂直刻度可以先設大一些,例如50mV/div;檢查并確認探頭的衰減正確設為了1X。圖2是一個示波器垂直通道的設置示例。
圖2:示波器垂直通道設置
時間刻度:本著先粗后細的原則,時間刻度可以先設大一些,例如1ms/div,待后續觀察到信號后,再放大查看細節。
觸發系統:由于使用AC耦合,觸發電平可以設為0V,使用邊沿觸發即可。
2.3測量波形
使用上述配置,可以測得輸出電容兩端的交流電壓如圖3和圖4所示。為了方便對比,2張圖的垂直刻度都統一設置為了5mV/div。
我們不難發現,相比PWM模式,PFM模式下,電源的紋波是明顯大的,這和datasheet的描述是一致的。
圖3:PFM模式的紋波
圖4:PWM模式的紋波
具體紋波的數值,可以通過數格子、光標或示波器的自動測量功能獲取。
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