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掌握好开关稳压器输出工件,可加快电源设计!

助工
2018-08-08 11:52:31    评分

了解以下这些伪像使设计人员能够在更广泛的高性能噪声敏感应用中成功集成开关稳压器。

介绍

最大限度地降低开关稳压器的输出纹波和瞬态非常重要,尤其是在为噪声敏感器件(如高分辨率ADC)供电时,输出纹波可能会对ADC的输出频谱产生明显的影响。为避免降低信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR),开关稳压器经常被低压差稳压器 IC(LDO)取代,为清洁器提供高效的开关稳压器LDO的输出。了解这些伪像将使设计人员能够在更广泛的高性能,噪声敏感应用中成功集成开关稳压器。

本文介绍了测量开关稳压器中输出纹波和开关瞬态的有效技术。测量这些伪像需要非常小心,因为较差的设置会导致读数错误,示波器探头的信号和接地引线形成的环路会引入寄生电感。这增加了与快速切换转换相关的瞬态幅度,因此必须保持短连接,良好技术和宽带宽。这里,  ADP2114  双通道2A /单路4A同步降压DC-DC转换器用于演示测量输出纹波和开关噪声的技术。该降压稳压器具有高效率,可在高达2 MHz的开关频率下工作。

 

输出纹波和开关瞬态

输出纹波和开关瞬态取决于稳压器的拓扑结构,以及外部元件的数值和特性。输出纹波是残余交流输出电压,与调节器的开关操作相关。其基频与稳压器的开关频率相同。开关瞬态是在开关转换期间发生的高频振荡。它们的振幅表示为最大峰峰值电压,难以准确测量,因为它高度依赖于测试设置。图1显示了输出纹波和开关瞬变的示例。

 

图1.输出纹波和开关瞬变。

 

输出纹波考虑因素

稳压器的电感和输出电容是影响输出纹波的主要元件。小电感以较高的电流纹波为代价提供更快的瞬态响应,而大电感则以较慢的瞬态响应为代价导致较低的电流纹波。使用具有低有效串联电阻(ESR)的电容可以最大限度地降低输出纹波。采用X5R或X7R电介质的陶瓷电容器是一个不错的选择。通常使用大电容来降低输出纹波,但输出电容的大小和数量是以成本和PCB面积为代价的。

 

频域测量

在测量不需要的输出信号伪像时,电力工程师可以考虑频域,因为这可以更好地了解输出纹波及其谐波占用的每个离散频率与每个相应的功率电平。图2显示了一个示例频谱。这种类型的信息有助于工程师确定所选择的开关稳压器是否适合其宽带RF或高速转换器应用。

要进行频域测量,请在输出电容上连接一个50Ω同轴电缆探头。信号通过隔直电容,并在频谱分析仪的输入端以50Ω终端结束。隔直电容可防止直流电流进入频谱分析仪,避免直流负载效应。50Ω传输环境可最大限度地减少高频反射和驻波。

输出电容是输出纹波的主要来源,因此测量点应尽可能接近。从信号尖端到地的环路应尽可能小,以尽量减少可能影响测量的额外电感。图2显示了频域中的输出纹波和谐波。ADP2114在指定工作条件下以基频产生4 mV pp输出纹波。

 

图2.使用频谱分析仪的频域图  

 

时域测量

使用示波器探头时,通过消除长接地引线来避免接地回路,因为信号尖端和长接地引线形成的回路会产生额外的电感和更高的开关瞬变。

测量低电平输出纹波时,使用1×无源探头或50Ω同轴电缆而不是10x示波器探头,因为10倍探头将信号衰减10倍,将低电平信号降低朝着噪音范围。图3显示了次优的探测方法。图4显示了使用500 MHz带宽设置测量的结果波形。由于长接地引线形成的环路,高频噪声和瞬态是测量伪像,并且不是开关稳压器固有的。

 

图3. 接地回路导致输出错误。

 

图4.开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

 

图5.在切换器输出的随机点上探测的Tip-and-barrel方法

 

图6.开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

 

如图7所示,使用接地线圈导线直接探测输出电容可在输出纹波中产生近乎最佳的细节。开关转换时的噪声得到改善,PCB上的走线电感显着降低。然而,低幅度信号轮廓仍然叠加在纹波上,如图8所示。

 

有几种方法可以减少杂散电感。一种方法是从标准示波器探头上移除长接地引线,而不是将探头的枪管主体连接到接地参考。图5显示了tip-and-barrel方法。然而,在这种情况下,尖端连接在调节器输出的错误点,而不是直接连接在输出电容器IC上。接地引线被移除,但由PC板上的迹线引起的电感仍然存在。图6显示了使用500 MHz带宽设置的结果波形。高频噪声较小,因为长接地引线被移除。

 

图7.使用线圈接地在输出电容器上探测的尖端和桶形方法。

 

图8.开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

 

最佳方法

探测切换器输出的最佳方法是使用50Ω同轴电缆,该电缆保持在50Ω环境中,并由示波器的可选50Ω输入阻抗终止。放置在稳压器输出电容和示波器输入之间的电容阻止直流。电缆的另一端可以使用非常短的悬空引线直接焊接到输出电容,如图9和图10所示。这可以在宽带宽上测量极低电平信号时保持信号完整性。图11显示了使用500 MHz测量带宽在输出电容上探测的tip-and-barrel方法和50Ω同轴方法的比较。

 

图9. 最佳探测方法使用端接50Ω同轴电缆。

 

图10. 实施例最好的探测方法。

 

图11.开关节点(1),tip-and-barrel方法(3)和50Ω同轴方法(2)。

 

这些技术的比较表明,即使在500 MHz带宽下,50Ω环境中的同轴电缆也可以提供更准确的结果和更低的噪声。将示波器带宽改为20 MHz可消除高频噪声,如图12所示.ADP2114在时域内产生3.9 mV pp的输出纹波,与使用20-的测量值4 mV pp密切相关。频域中的MHz带宽设置。

 

图12.开关节点(1)和输出纹波(2)。

 

测量开关瞬态

开关瞬态具有比输出纹波更低的能量但更高的频率成分。这在切换转换期间发生,并且通常标准化为包括纹波的峰 - 峰值。图13显示了使用标准示波器探头测量的开关瞬态与长接地引线和500 MHz带宽中的50Ω同轴终端的比较。通常,由于长接地引线引起的接地回路产生比预期更大的开关瞬变。

 

图13.开关节点(1),标准示波器探头(3)和50Ω同轴终端(2)。

 

结论

在为低噪声,高性能转换器设计和优化系统电源时,输出纹波和开关瞬态测量技术非常重要。这些测量技术可在时域和频域提供准确,可重复的结果。在宽频率范围内测量低电平信号时,保持50Ω环境非常重要。一种简单,低成本的方法是使用正确端接的50Ω同轴电缆。该方法可与各种开关稳压器拓扑结构一起使用。




关键词: 开关稳压器     电源     半导体     IC    

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