了解開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出,加快電源設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間:2018-03-12 來源:Aldrick Limjoco 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】最大程度降低開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出紋波和瞬變十分重要,尤其是為高分辨率ADC之類噪聲敏感型器件供電時(shí),輸出紋波在ADC輸出頻譜上將表現(xiàn)為獨(dú)特的雜散。為避免降低信噪比(SNR)和無雜散動態(tài)范圍(SFDR)性能,開關(guān)調(diào)節(jié)器通常以低壓差調(diào)節(jié)器(LDO)代替,犧牲開關(guān)調(diào)節(jié)器的高效率,換取更干凈的LDO輸出。了解這些偽像可讓設(shè)計(jì)人員成功將開關(guān)調(diào)節(jié)器集成到更多的高性能、噪聲敏感型應(yīng)用中。
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(xì),因?yàn)樵愀獾脑O(shè)置可能會導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)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(dá)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?fù)湟约巴獠吭骷臄?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?yàn)樗c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(jià)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(jià)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(gè)不錯(cuò)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(gè)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(shí),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(gè)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(jìn)行頻率域測量,可在輸出電容兩端連接一個(gè)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(fù)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(diǎn)應(yīng)該盡可能靠近。從信號尖端到接地點(diǎn)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(shí)域測量
采用示波器探針時(shí),不用長接地引線可避免形成接地環(huán)路,因?yàn)樾盘柤舛撕烷L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(shí),使用1×無源探針或50Ω同軸電纜,而非10×示波器探針,因?yàn)?0×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(shí)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(diǎn)(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(biāo)準(zhǔn)示波器探針的長接地引線,并將其管體連接至接地基準(zhǔn)點(diǎn)。圖5顯示尖端和管體方法。然而,在本例中,尖端連接錯(cuò)誤的調(diào)節(jié)器輸出點(diǎn),而非直接連接輸出電容;正確方法應(yīng)當(dāng)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(shí)的波形結(jié)果。因?yàn)橐瞥碎L接地引線,所以高頻噪聲有所降低。
圖5. 在開關(guān)輸出的任意點(diǎn)采用尖端和管體法進(jìn)行探測
圖6. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)(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(jìn)行探測
圖8. 開關(guān)節(jié)點(diǎn)(1)和交流耦合輸出波形(2)
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(gè)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(shí)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(jìn)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(diǎn)(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(shí)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(shí)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(diǎn)(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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)(1)、標(biāo)準(zhǔn)示波器探針(3)、50Ω同軸端接(2)
結(jié)論
設(shè)計(jì)與優(yōu)化低噪聲、高性能轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電源時(shí),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(shí)現(xiàn)精確、可再現(xiàn)的時(shí)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(shí),維持50Ω的環(huán)境非常重要。進(jìn)行這項(xiàng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
參考電路
電源管理
開關(guān)調(diào)節(jié)器
Aldrick Limjoco。AN-1144應(yīng)用筆記。測量開關(guān)調(diào)節(jié)器中的輸出紋波和開關(guān)瞬變。ADI公司,2013年。
應(yīng)用筆記01-08-01,修訂版01。 輸出紋波電壓測量。. SynQor.
Jim Williams。應(yīng)用筆記70。 具有100 μV輸出噪聲的單芯片開關(guān)調(diào)節(jié)器。. Linear Technology,1997年。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測試庫獲得德國萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無線開發(fā)平臺引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來更多臺式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號調(diào)節(jié)器, 以推動不斷增長的IO-Link市場
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無線局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 【“源”察秋毫系列】 Keithley在碳納米管森林涂層纖維復(fù)合材料的應(yīng)用
- 數(shù)字驅(qū)動工業(yè),智能賦能制造 AMTS & AHTE SOUTH CHINA 2024同期會議全公開!
- 團(tuán)體觀展招募!104CEF開啟組團(tuán)觀眾通道,解鎖更多禮遇
- 觸摸式OLED顯示屏有望重新定義汽車用戶界面
- 用Python自動化雙脈沖測試
技術(shù)白皮書下載更多>>
- 車規(guī)與基于V2X的車輛協(xié)同主動避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門搜索
電阻觸控屏
電阻器
電阻作用
調(diào)速開關(guān)
調(diào)諧器
鼎智
動力電池
動力控制
獨(dú)石電容
端子機(jī)
斷路器
斷路器型號
多層PCB
多諧振蕩器
扼流線圈
耳機(jī)
二極管
二極管符號
發(fā)光二極管
防靜電產(chǎn)品
防雷
防水連接器
仿真工具
放大器
分立器件
分頻器
風(fēng)力渦輪機(jī)
風(fēng)能
風(fēng)扇
風(fēng)速風(fēng)向儀