這篇文章以實(shí)際測(cè)試案例說明了測(cè)量電源紋波和測(cè)量電源噪聲在示波器帶寬要求上的不同及不同帶寬所引起的測(cè)量結(jié)果的巨大差異。文章給出了堅(jiān)硬的結(jié)論和測(cè)量結(jié)果。

項(xiàng)目描述

硬件電路的很多問題都和電源相關(guān)，好的電源設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)硬件電路至關(guān)重要；這篇文章是從一個(gè)實(shí)際的案例來談一談如何使用示波器較準(zhǔn)確的測(cè)量電源的噪聲。

測(cè)量對(duì)象是在市場(chǎng)上購買的一款I(lǐng)PAD擴(kuò)容外設(shè)。此設(shè)備是通過在IPAD上安裝對(duì)應(yīng)的APP，在充電口加入外圍模塊來實(shí)現(xiàn)對(duì)IPAD的擴(kuò)容。

這一款設(shè)備所用的存儲(chǔ)介質(zhì)是MicroSD卡。我們對(duì)其中MicroSD卡存儲(chǔ)部分的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)這一部分回路是否符合SD規(guī)范。在使用示波器檢測(cè)SDVCC電壓的時(shí)候，根據(jù)對(duì)電源紋波的測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量電源紋波一般應(yīng)限制20MHZ帶寬。但使用20MHZ帶寬限制與全帶寬500MHZ測(cè)量的值差別很大。那么，在此處測(cè)量SDVCC的電壓，是否應(yīng)該把帶寬限制在20MHZ？

問題解決

此電路非常簡單，就是通過IPAD的供電口以及數(shù)據(jù)傳輸線對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行擴(kuò)容；首先來測(cè)量產(chǎn)品給SD供電的電壓波形。按照存儲(chǔ)芯片MicroSD卡供電要求的范圍：2.7V-3.6V；不允許超出此范圍，否則，芯片在不穩(wěn)定的電壓下工作會(huì)有比較大的風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)?duì)卡片的正常工作帶來影響。

首先需要考慮的是示波器的設(shè)置，究竟是否需要進(jìn)行20MHZ的帶寬限制？詳細(xì)的使用環(huán)境如下圖所示：

如何去測(cè)試“高頻開關(guān)電源”噪聲

IPAD剛引出來的那個(gè)端口可以當(dāng)做電源的源端，而通過后端的外圍模塊后在末端進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，電源通過了一段PCB走線，包括一些芯片回路，應(yīng)該存在高頻的噪聲，如果采用20MHZ的帶寬限制，實(shí)際上是將原本屬于模塊的噪聲給濾掉了，為此，我們進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證：

第一步，我先驗(yàn)證IPAD的供電端在工作時(shí)的輸出，如下圖：

通過直接驗(yàn)證IPAD的輸出口的電壓,保證源端的供電是正常的；通過測(cè)試，我們發(fā)現(xiàn)在源端測(cè)量的電壓值在3.4V（500MHZ帶寬測(cè)量）左右，峰峰值最大29mV，是非常穩(wěn)定的供電；

因此，可以排除源端供電的問題，接下來，我們直接在通過整個(gè)模塊后在MicroSD卡的供電腳SDVCC對(duì)電壓進(jìn)行測(cè)量，如下圖：

當(dāng)我們?cè)趫D片上的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)在高頻開關(guān)電源上有相當(dāng)大的噪聲，使得電壓超出了規(guī)范要求的范圍，最大值達(dá)到了3.814V，峰峰值最大達(dá)854mV；

但當(dāng)我們將示波器設(shè)置為20MHZ帶寬的時(shí)候，高頻開關(guān)電源變的非常好，完全在供電要求的范圍內(nèi)；

正如在本文開頭描述的，在本次高頻開關(guān)電源測(cè)試過程中，已經(jīng)不是高頻開關(guān)電源紋波測(cè)量，而應(yīng)該是噪聲。類似這類高頻開關(guān)電源電壓的測(cè)量，如按照限制20MHZ帶寬進(jìn)行測(cè)試，會(huì)給測(cè)量分析帶來誤判（因?yàn)榇_實(shí)存在比較大的噪聲/電壓波動(dòng)），示波器的前端濾波會(huì)將產(chǎn)品本身所存在的噪聲給濾掉了；因此，我們采用了500MHZ的滿帶寬進(jìn)行測(cè)試；

但是，通過以上的測(cè)試方式是否真實(shí)反映了產(chǎn)品的噪聲大??？另外，采用標(biāo)配的無源探頭進(jìn)行測(cè)試會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來多大的偏差？是否在可接受的范圍內(nèi)？還需要進(jìn)一步的驗(yàn)證；

我們采用了不同接地環(huán)路對(duì)相同的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量。帶彈簧地的測(cè)試回路減少了信號(hào)的回流路徑，測(cè)試結(jié)果會(huì)比直接用原來標(biāo)配的6英寸的效果要好些，但二者的差別較小，而測(cè)出來的3.8V的最大值似乎不夠準(zhǔn)確（經(jīng)驗(yàn)判斷）；之前在示波器操作培訓(xùn)時(shí)也了解到示波器標(biāo)配的10:1的無源探頭會(huì)對(duì)信號(hào)測(cè)量帶來較大的偏差，10:1的衰減會(huì)將示波器的底噪提高10倍；因此，我們將采用1:1衰減，50歐姆的同軸線纜對(duì)產(chǎn)品再次進(jìn)行測(cè)量，以保證準(zhǔn)確的反映產(chǎn)品的真實(shí)狀況，以便于對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，如下圖：

采用1:1的同軸電纜可以將信號(hào)傳輸?shù)穆窂綔p小，另外，示波器直接設(shè)置為1:1衰減，避免了軟件算法對(duì)示波器底噪的放大，因此帶來最準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果；

采用同軸線纜測(cè)試的結(jié)果，最大值為3.645V，比使用無源探頭3.814V的測(cè)量值相差0.169V?？梢娫谛枰龇浅＞珳?zhǔn)的測(cè)量的時(shí)候，應(yīng)選擇同軸線纜來測(cè)量，盡量減小測(cè)量誤差。

總結(jié)

本文主要是從測(cè)試的角度來分析討論應(yīng)該如何去測(cè)試“高頻開關(guān)電源”噪聲。通過以上分析可以得出以下結(jié)論：

1.如果按照以往高頻開關(guān)電源紋波的測(cè)試方法，直接選擇20MHZ的帶寬進(jìn)行測(cè)試，將無法正確地反映出高頻開關(guān)電源的真實(shí)狀況。在諸如此類的高頻開關(guān)電源電壓的監(jiān)控測(cè)量中，應(yīng)考慮到其他高頻噪聲的干擾，不能把示波器帶寬限制在20MHZ。測(cè)試一個(gè)高頻開關(guān)電源電壓波動(dòng)應(yīng)選擇怎么樣的帶寬，要具體問題具體分析，要正確判斷是測(cè)量紋波還是噪聲，對(duì)應(yīng)地選擇如何設(shè)置示波器。

2.如需要更加精準(zhǔn)地測(cè)量，需要減小示波器10:1無源探頭帶來的誤差影響，應(yīng)使用1:1衰減的同軸線纜進(jìn)行測(cè)量。