開關模式電源(SMPS)上的噪聲有時會變得很糟糕。

我正在評估一個簡單的低成本開關電源(SMPS)上的電壓噪聲，并且幾乎因為這些電源在噪聲方面的聲譽不佳而下降。

開關穩壓器中的輸出噪聲

就其性質而言，nSMPS的輸出會有一些開關噪聲。畢竟，它們被設計為使用脈沖寬度調制(或脈沖頻率調制)信號從較高直流電源切換電流，然后使用2極LC濾波器對其進行濾波。

MOSFET的開關動作產生交替周期，其中第一電流流入電感器，然后電感器放電。這導致大的dI / dt和大的電壓尖峰。我們期待這種噪音。這是一個問題，LC濾波器在防止這些大電壓尖峰傳輸到電路的其余部分方面有多么有效。

SMPS的典型輸出電壓將在開關頻率處顯示紋波。一個重要的指標是當調節器沒有負載時，以及在應用中加載典型負載電阻時有多少紋波。

測量開關電源中的噪聲

我最近有一個低噪聲應用，我想嘗試使用一個非常低成本的3.3 V SMPS; 僅需要50 mA的負載電流。我有一個評估板，我用5 V墻壁電源連接到電源，用一個簡單的10×探頭測量輸出。我的測量配置如圖1所示。

直流電平在3.3 V時很好。憑借我的Teledyne LeCroy HDO 8108示波器的12位分辨率和大偏移能力，我能夠抵消這個電壓，這樣我就可以放大紋波噪聲并且還可以尋找慢速直流漂移。圖2顯示了10 mV / div刻度下的測量電壓噪聲。

圖2.測量噪聲

切換器的20微秒周期 - 對應于50kHz的開關頻率 - 是顯而易見的。從電感器電流的充電和放電循環預期三角形脈沖。但是，除了這個預期的特征之外，還有兩種類型的高頻噪聲。平坦區域存在10 mV峰峰值噪聲，尖峰噪聲有時會達到60 mV峰峰值。

高頻噪音和尖銳的噪音尖峰令人不安。這沒有被2極LC濾波器濾除。如果我使用這種電源，我怎么能確保我的電路板能夠保持足夠的功能，盡管有這些噪音?

然而，事實證明，這種噪音實際上不是電源輸出上的電壓噪聲。在我的探測中，所有射頻都是射頻。

區分電壓噪聲與RF拾取

通過LC濾波器中的電感器的大dI / dt導致在SMPS附近產生的大磁場。任何具有低電感路徑的環路都會產生磁感應電流，從而產生我們用示波器測量的電壓。

我連接到SMPS引線的10倍探頭制作了一個環形天線，可以拾取這些尖峰。您的第一個想法可能是，但10×探頭的尖端是否有9MΩ電阻?這不是一個阻止任何交流電流在環路中感應的大阻抗嗎？

尖端有一個9MΩ的電阻，但也有一個10 pF的并聯電容，是均衡器電路的一部分，高頻電流通過該電路流過。在100 MHz時，10 pF電容的阻抗僅為160Ω，非常低。

為了測試這些噪聲是否真的是探頭中的RF拾取而不是電源軌上的實際噪聲的想法，我將一個小型SMA連接器焊接到電路板的輸出端，以減小環形天線面積和輻射靈敏度領域。此外，我在測量SMPS輸出電壓的附近添加了另一個10倍探頭，但是使用第二個探頭，尖端短接到地線。這種設置允許我使用10倍探頭同時測量輸出軌，通過SMA連接器測量輸出軌，以及本地RF噪聲(探頭拾取，尖端短接到地線ICfans)。

圖4. SMPS輸出上的測量電壓

探頭衰減會影響SNR

有兩個重要的觀察結果。首先，1×同軸電纜的一般噪聲水平遠低于10×探頭。這實際上是由于10×探針不是10×探針，它是0.1×探針。它將信號衰減10倍，將其幅度降低20 dB。當我們測量小信號電平時，例如幾十毫伏，測得的電壓對示波器的放大器噪聲很敏感。

大多數示波器足夠聰明，可以識別出通道上附有10×探頭。它們會自動調整顯示的電壓標度，以補償十倍因子衰減并顯示尖端電壓。因此，當示波器以10 mV / div刻度顯示信號時，它實際上在放大器上使用1 mV / div刻度。我們所看到的是，尖端噪聲的峰值到峰值幾乎達到10 mV，實際上在示波器放大器的峰峰值噪聲約為1 mV。

使用SMA連接的同軸電纜實際上是1×探頭。該跡線也以10 mV / div刻度顯示。在這種情況下，1 mV峰峰值放大器噪聲或多或少地包含在跡線的線寬內。

這表明了一個重要的最佳測量實踐：當我們觀察低幅度信號時，例如電源軌噪聲，任何10倍衰減探頭都會使我們的SNR降低20 dB。當每個dB計數時，請勿使用衰減探頭。

同軸連接與示波器探頭

第二個觀察結果是，同軸連接中不存在大而尖銳的尖峰，而是存在于兩個10×探針測量中。由于其中一個探頭甚至沒有接觸到軌道輸出，這強烈表明尖峰尖峰噪聲是由于RF拾取引起的，而不是SMPS輸出上的電壓噪聲。

這表明第二個重要的最佳測量實踐：在測量低幅度信號時，使用盡可能接近同軸連接的測量設置，以減少探頭的環路面積及其作為天線的有效性。

如果我們實施這兩個最佳測量實踐，我們在3.3 V電壓軌中具有30 mV的峰峰值紋波噪聲。這是1%的紋波，非常適合低成本的SMPS。此外，高頻噪聲大大降低，并且短時瞬態 - 實際上作為RF拾取噪聲而不是軌電壓噪聲 - 不再作為切換器輸出信號的一部分顯示。

頻域噪聲

只要我使用靠近我的電源和信號路徑的地平面，這是一個重要的最佳半導體設計實踐，由此SMPS供電的設備和我板上的信號將只看到由50 kHz產生的諧波SMPS。

使用直接同軸，低噪聲連接，我測量了SMPS電源軌上的噪聲頻譜。一個例子如圖5所示。

圖5.電源軌上的噪聲頻譜。

頻譜中的峰值是開關頻率的50 kHz諧波。一次諧波的幅度約為10 dBmV，即3 mV。這遠小于在時域中測量的30mV峰峰值電壓。這是因為紋波噪聲具有如此低的占空比。在一次諧波的短時三角脈沖中沒有太多的正弦波。大量高次諧波表示時域中波形的奇怪形狀及其高頻內容。

所有開關噪聲均低于約3 MHz時的10μV幅度。對于我的應用，這是一個可接受的噪音水平，實際上對于這種低成本的SMPS來說它非常低。

結論

本文討論了關于開關電源實際產生的電壓噪聲的重要考慮因素，并介紹了兩種最佳測量方法，可幫助您對開關穩壓器的輸出軌進行精確的示波器測量。