DC-DC转换器抗噪性之探测

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 我们过去的研究结果表明,DC-DC转换会形成大量潜在噪声源。线性和开关调节器本身会发射电噪声 (如热噪声、1/f噪声和散粒噪声)。热噪声是导体中的载流子随机热激励振动造成的。闪变噪声 (1/f) 是一种低频噪声。半导体器件中的1/f 噪声主要与材料表面特性有关。散粒噪声是电流不是平稳、连续地通过器件时产生的一种现象,实际是一些脉冲电流的总和 (载流子流动产生的,每一路载有一个电子电荷)。当然,除这些电噪声源外,开关频率处 (开关调节器中) 存在的输出电压尖峰脉冲,以及每类调节器 (线性和开关式) 频率范围内的输出负载,由于两类DC-DC转换器负载和线性调节特性的限制也会形成噪声。探测和检查噪声的发生及其频率,以便了解其对DC-DC转换器输出端供电器件的影响是最基本的要求。

精确探测DC-DC转换器输出而不中断实际信号不是一项简单的工作。事实上,探测任何电路 (一般情况下) 都需要解决测量方面非常具体的问题,包括需要测量什么,以及如何探测 (测量) 整个被测电路。首先,设计工程师需要决定采用高阻抗,还是采用低阻抗探针探测电路最合适 (参见图1)。通常不检查高频器件的情况下,一般适合采用高阻抗探测 (一般采用大电容),这样不会对DC部分的电路负载产生不利影响。不过必须注意,尽管本质上属于DC输出设备,但DC-DC转换器可以利用开关特性,在很宽的频度范围内为各种电路供电,因此有可能需要以越来越高的频率进行探测和测量。


图1高阻抗与低阻抗探测

如图1所示,DC-DC转换器的输出接一直流负载,用示波器采用高、低阻抗测量方式进行观察。很明显的,采用DC耦合低阻抗探头会额外增加DC-DC转换器的负载,,负载大小是Iout=Vout/50ohms,(如果输出电压是2V的话,则这个额外的电流是40mA)。而且,这个数量级的电流也会在AC耦合低阻抗探头的测量中出现,同时测试线上会有一个比较大的电压尖峰出现。同样的情况下,如果使用一个高阻抗的探头,需要考虑的仅仅是高阻抗探头会给变换器的输出增加一个探头电容和示波器的输入电容。一般来说,在测量低频信号和低阻抗噪声时,这个电容是可以被忽略的。既然如此,由于示波器的带宽,那么可测的频率频带是有限制的,这种限制和探头阻抗与示波器输入阻抗没有关系。如果要测更高的频率,那么须使用频谱分析仪(50欧姆的同轴电缆系统),特别注意的是不要使DC-DC转换器过载、频谱分析仪过流和外部产生寄生参数而使得测量失真。


图2高频探测(电阻探针)

图2所示,在高频测量时使用一个最小地参考的阻性探头(与容性探头测量对比),可以这样来实现:把同轴电缆的末端剪开,在电缆中间的导体上焊一个电阻,再把屏蔽层拧起来然后和地焊在一起。这个电阻一般是1kΩ,在测量时既可以直接与待测点接触,也可以直接焊在待测点。整个同轴电缆中间导体的电阻值是50Ω,另一端再接入输入电阻为50Ω的频谱分析仪。值得注意的是,这1kΩ的电阻会对信号造成一个50/(1000 + 50)的衰减(21:1的衰减),同时这1k欧姆的电阻也会使DC/DC变换器的输出增加一个额外的电流(Iout=Vout/1KΩ),这个额外的电流比起不加1kΩ电阻的测量方式小了20倍。当然,1kΩ的电阻也可以适当的增大,以减小测量对DC-DC转换器输出的影响,同时衰减倍数也需要重新计算。同轴电缆的屏蔽层要和频谱分析仪的地接在一起,在所测电路上可以焊接至电路地上,也可以直接接触。


图3高频探测 (加长地线)

图3所示的测量例子使用了较长的接地线。较长的引线会在测量中引入一个大概1nH/mm的电感量(经验估算)。如果在探头的地连接线上增加100mm的线,那么在300MHz时,电感的感抗大约在188Ω(所测信号就完全失真了)。所以在测量时必须考虑清楚使用的探头是高阻抗(并联一个电容)、低阻抗(并联一个电阻)还是纯电阻(串联/并联一个电阻)的。

对于一个准确的测量,不论是测量DC-DC转换器的输出,还是测量任何电路,都必须充分的理解和评估测量对原电路带来的影响。