【導讀】最大程度降低開關調節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，輸出紋波在ADC輸出頻譜上將表現為獨特的雜散。為避免降低信噪比(SNR)和無雜散動態范圍(SFDR)性能，開關調節器通常以低壓差調節器(LDO)代替，犧牲開關調節器的高效率，換取更干凈的LDO輸出。了解這些偽像可讓設計人員成功將開關調節器集成到更多的高性能、噪聲敏感型應用中。
本文介紹測量開關調節器中的輸出紋波和開關瞬變的有效方法。對這些參數的測量要求非常仔細，因為糟糕的設置可能會導致讀數錯誤，示波器探針信號和接地引線形成的環路會導致產生寄生電感。這樣會增加與快速開關瞬變有關的瞬變幅度，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轉換器，演示測量輸出紋波和開關噪聲的方法。這款降壓調節器具有高效率，開關頻率最高可達2 MHz。
輸出紋波和開關瞬變
輸出紋波和開關瞬變取決于調節器拓撲以及外部元器件的數值與特性。輸出紋波是殘余交流輸出電壓，與調節器的開關操作密切相關。其基頻與調節器的開關頻率相同。開關瞬變是在開關轉換過程中發生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示，該值很難精確測量，因為它與測試設置高度相關。圖1顯示輸出紋波和開關瞬變示例。
圖1. 輸出紋波和開關瞬變
輸出紋波考慮因素
調節器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。較小的電感會產生更快的瞬變響應，但代價是電流紋波更大；而較大的電感會讓電流紋波更小，相應的代價就是瞬變響應較慢。采用低有效串聯電阻(ESR)的電容可最大程度減少輸出紋波。帶電介質X5R或X7R的陶瓷電容是一個不錯的選擇。通常使用大電容來降低輸出紋波，但輸出電容的尺寸和個數卻是以犧牲成本和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，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，以及各自對應哪些不同的功率水平。圖2顯示的是一個頻譜的例子。這類信息可幫助工程師確定所選開關調節器是否適合其寬帶RF或高速轉換器應用。
若要進行頻率域測量，可在輸出電容兩端連接一個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，避免直流負載效應。50Ω傳輸環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，因此測量點應該盡可能靠近。從信號尖端到接地點的環路應該盡可能比較小，以便盡量減少可能影響測量結果的額外電感。圖2顯示頻域的輸出紋波和諧波。ADP2114在指定工作條件下，于基頻處產生4 mV p-p輸出紋波。
圖2. 采用頻譜分析儀的頻域圖
時域測量
采用示波器探針時，不用長接地引線可避免形成接地環路，因為信號尖端和長接地引線形成的環路會產生額外電感和較高的開關瞬變。
測量低電平輸出紋波時，使用1×無源探針或50Ω同軸電纜，而非10×示波器探針，因為10×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顯示的是次優探測方法。圖4顯示采用500MHz帶寬設置時的波形測量結果。高頻噪聲和瞬變屬于長接地引線形成的環路所造成的測量假信號，并非開關調節器所固有。
圖3. 接地環路產生輸出誤差
圖4. 開關節點(1)和交流耦合輸出波形(2)
有幾種方法可以減小雜散電感。一種方法是移除標準示波器探針的長接地引線，并將其管體連接至接地基準點。圖5顯示尖端和管體方法。然而，在本例中，尖端連接錯誤的調節器輸出點，而非直接連接輸出電容；正確方法應當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帶寬設置時的波形結果。因為移除了長接地引線，所以高頻噪聲有所降低。
圖5. 在開關輸出的任意點采用尖端和管體法進行探測
圖6. 開關節點(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生近乎最佳的輸出紋波。開關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行探測
圖8. 開關節點(1)和交流耦合輸出波形(2)
最佳方法
探測開關輸出的最佳方法是使用50Ω同軸電纜，該電纜維持在50Ω環境下，并通過可選50Ω示波器輸入阻抗端接。在調節器輸出電容和示波器輸入之間放置一個電容，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測量極低電平信號時保持信號完整性。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. 開關節點(1)、尖端和管體法(3)、50 Ω同軸法(2)
這些方法對比顯示，50Ω環境下使用同軸電纜會產生更為精確的結果，此時噪聲較小，即使采用500 MHz帶寬設置也是如此。將示波器帶寬改為20 MHz可消除高頻噪聲，如圖12所示。ADP2114在時域中產生3.9 mV p-p輸出紋波，接近于采用20 MHz帶寬設置測得的頻域值4 mV p-p。
圖12. 開關節點(1)和輸出紋波(2)
測量開關瞬變
開關瞬變的能量較低，但是頻率成分比輸出紋波高。這種情況會在開關轉換過程中發生，通常標準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準示波器探針與使用50Ω同軸端接電纜（500 MHz帶寬）的開關瞬變測量結果對比。通常，由長接地引線造成的接地環路會產生比預期更高的開關瞬變。
圖13. 開關節點(1)、標準示波器探針(3)、50Ω同軸端接(2)
結論
設計與優化低噪聲、高性能轉換器的系統電源時，輸出紋波和開關瞬變測量方法是非常重要的考慮因素。這些測量方法可實現精確、可再現的時域和頻域結果。在較寬的頻率范圍內測量低電平信號時，維持50Ω的環境非常重要。進行這項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調節器拓撲結構。
參考電路
電源管理
開關調節器
Aldrick Limjoco。AN-1144應用筆記。測量開關調節器中的輸出紋波和開關瞬變。ADI公司，2013年。
應用筆記01-08-01，修訂版01。 輸出紋波電壓測量。. SynQor.
Jim Williams。應用筆記70。 具有100 μV輸出噪聲的單芯片開關調節器。. Linear Technology，1997年。
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