【導(dǎo)讀】MOSFET 的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)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(huì)導(dǎo)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?shù)诫娐返钠溆嗖糠址矫嬗卸嘤行А?/p>
就其性質(zhì)而言，nSMPS 的輸出端會(huì)有一些開關(guān)噪聲。畢竟，它們?cè)O(shè)計(jì)用于使用脈沖寬度調(diào)制（或脈沖頻率調(diào)制）信號(hào)切換來自較高直流電源的電流，然后使用 2 極 LC 濾波器對(duì)其進(jìn)行濾波。
MOSFET 的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)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(huì)導(dǎo)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?shù)诫娐返钠溆嗖糠址矫嬗卸嘤行А?br style="padding: 0px; margin: 0px auto;"/>
SMPS 的典型輸出電壓將在開關(guān)頻率處顯示紋波。一個(gè)重要的指標(biāo)是當(dāng)穩(wěn)壓器沒有負(fù)載時(shí)以及當(dāng)它加載應(yīng)用中的典型負(fù)載電阻時(shí)有多少紋波。
測(cè)量開關(guān)模式電源中的噪聲
我近有一個(gè)低噪聲應(yīng)用，我想嘗試使用成本非常低的 3.3 V SMPS；僅需要 50 mA 的負(fù)載電流。我有一個(gè)評(píng)估板，我將其連接到 5 V 壁式電源并用一個(gè)簡單的 10× 探頭測(cè)量輸出。我的測(cè)量配置如圖 1 所示。
圖 1.使用 10× 探頭測(cè)量輸出電壓軌。
DC 電平在 3.3 V 時(shí)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(hào)直流漂移。圖 2 顯示了在 10 mV/div 刻度上測(cè)得的電壓噪聲。
圖 2.使用10 倍探頭在 10 mV/div 的刻度上測(cè)得的 SMPS 輸出噪聲。
切換器的 20 微秒周期（對(duì)應(yīng)于 50 kHz 的切換頻率）非常明顯。三角形脈沖預(yù)計(jì)來自電感器電流的充電和放電周期。但是，除了這個(gè)預(yù)期的特征之外，還有兩種類型的高頻噪聲。平坦區(qū)域有 10 mV 的峰峰值噪聲，尖銳的尖峰噪聲有時(shí)會(huì)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(gè)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(shí)證明，這種噪聲實(shí)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(hào)。
區(qū)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(huì)導(dǎo)致在 SMPS 附近產(chǎn)生大磁場(chǎng)。任何具有低電感路徑的環(huán)路都會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)電流，這些電流會(huì)產(chǎn)生我們用示波器測(cè)量的電壓。
我連接到 SMPS 引線的 10× 探頭構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形天線，可以接收這些尖峰信號(hào)。您的個(gè)想法可能是，10× 探頭的不是有一個(gè) 9 MΩ 的電阻嗎？這不是一個(gè)可以防止在環(huán)路中感應(yīng)出任何交流電流的大阻抗嗎？
有一個(gè) 9 MΩ 電阻器，但也有一個(gè) 10 pF 并聯(lián)電容器，高頻電流流經(jīng)的均衡器電路的一部分。在 100 MHz 時(shí)，10 pF 電容器的阻抗僅為 160 Ω，低得驚人。
為了測(cè)試其中一些噪聲實(shí)際上是探頭中的 RF 拾取而不是電源軌上的實(shí)際噪聲的想法，我將一個(gè)小型 SMA 連接器焊接到電路板的輸出端以減少環(huán)形天線面積和對(duì)輻射的敏感度領(lǐng)域。此外，我在測(cè)量 SMPS 輸出電壓的探頭附近添加了另一個(gè) 10× 探頭，但第二個(gè)探頭的與地線短路。這種設(shè)置使我能夠同時(shí)使用 10× 探頭測(cè)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?。Ｈ鐖D 3 所示。
圖 3.使用兩個(gè) 10× 探頭和同軸 1× 連接來測(cè)量 SMPS 輸出上的電壓噪聲。
圖 4 顯示了使用這三種方法測(cè)量的噪聲。
圖 4. SMPS 輸出上的測(cè)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(gè)重要的觀察結(jié)果。首先，1× 同軸電纜的一般噪聲水平遠(yuǎn)低于 10× 探頭。這實(shí)際上是因?yàn)?10× 探針不是 10× 探針，而是 0.1× 探針。它將信號(hào)衰減 10 倍，將其幅度降低 20 dB。當(dāng)我們測(cè)量小信號(hào)電平時(shí)，例如幾十毫伏，測(cè)得的電壓對(duì)示波器的放大器噪聲很敏感。
大多數(shù)示波器都足夠智能，可以識(shí)別通道上連接了一個(gè) 10× 探頭。它們會(huì)自動(dòng)調(diào)整顯示的電壓刻度以補(bǔ)償十倍衰減并顯示電壓。因此，當(dāng)示波器以 10 mV/div 刻度顯示信號(hào)時(shí)，它實(shí)際上是在放大器上使用 1 mV/div 刻度。我們?cè)诳吹降膸缀?10 mV 峰峰值噪聲實(shí)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(shí)際上是一個(gè) 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(nèi)。
這表明了一個(gè)重要的測(cè)量實(shí)踐：當(dāng)我們查看低幅度信號(hào)（例如電源軌噪聲）時(shí)，任何 10 倍衰減探頭都會(huì)將我們的 SNR 降低 20 dB。當(dāng)每個(gè) dB 都很重要時(shí)，不要使用衰減探頭。
同軸連接與示波器探頭
第二個(gè)觀察結(jié)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(gè) 10× 探頭測(cè)量中。由于其中一個(gè)探頭甚至沒有接觸到軌輸出，這強(qiáng)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(gè)重要的測(cè)量實(shí)踐：在測(cè)量低幅度信號(hào)時(shí)，使用盡可能靠近同軸電纜連接的測(cè)量裝置，以減少探頭的環(huán)路面積及其作為天線的有效性。
如果我們實(shí)施這兩個(gè)測(cè)量實(shí)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(duì)于低成本 SMPS 來說相當(dāng)不錯(cuò)。此外，高頻噪聲大大降低，并且短時(shí)瞬變（實(shí)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(hào)的一部分。
頻域中的噪聲
只要我在靠近我的電源和信號(hào)路徑的地方使用地平面，這是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)實(shí)踐，由這個(gè) SMPS 供電的設(shè)備和我板上的信號(hào)將只看到由 SMPS 產(chǎn)生的 50 kHz 紋波的諧波開關(guān)電源。
使用直接同軸、低噪聲連接，我測(cè)量了來自 SMPS 的電源軌上的噪聲頻譜。圖 5 顯示了一個(gè)示例。
圖 5.電源軌上的噪聲頻譜。頂部是時(shí)變頻譜圖，超過 10 秒，顯示出非常穩(wěn)定的振幅。在此標(biāo)度上，0 dBmV 是 1 mV 振幅噪聲。
頻譜中的峰值是開關(guān)頻率的 50 kHz 諧波。諧波的幅度約為 10 dBmV，即 3 mV。這遠(yuǎn)小于時(shí)域中測(cè)得的 30 mV 峰峰值電壓。這是因?yàn)榧y波噪聲的占空比很低。諧波處的短時(shí)三角脈沖中沒有太多正弦波。大量的高次諧波表明時(shí)域波形的奇特形狀及其高頻成分。
在大約 3 MHz 以上時(shí)，所有開關(guān)噪聲的振幅均低于 10 μV。對(duì)于我的應(yīng)用，這是一個(gè)可接受的噪聲水平，實(shí)際上對(duì)于這樣一個(gè)低成本的 SMPS 來說它是非常低的。
結(jié)論
本文討論了有關(guān)開關(guān)模式電源實(shí)際產(chǎn)生的電壓噪聲的重要考慮因素，并提出了兩種測(cè)量實(shí)踐，可幫助您對(duì)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出軌進(jìn)行的示波器測(cè)量。
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