如何消除系统中的电源纹波和电源噪声?

文摘   2024-10-29 10:09   日本  

电源纹波和电源噪声都是电源转换电路的必然产物。在很多应用中,如芯片、AD/DA转换器,VCO,通信,光电等,对纹波噪声有极高的要求。如下图所示,大的纹波噪声甚至造成无线通信模块的信号眼图质量严重的下降。

直流电源是什么?

直流电源有正、负两个电极,正极的电位高,负极的电位低,当两个电极与电路连通后,能够使电路两端之间维持恒定的电位差,从而在外电路中形成由正极到负极的电流。直流电源是一种能量转换装置,它把其他形式的能量转换为电能供给电路,以维持电流的稳恒流动。

交流电源和直流电源的区别是什么?

方向不随时间变化的电流称为直流(Direct current, DC)。电池供给的电流,大小和方向都不随时间变化,所以属于直流,也叫恒定电流。只大小变化的电流,也叫直流电。

直流电是沿恒定方向单向流动的电流。下图是恒定直流电压的波形,横坐标是时间,纵坐标是电压(当然也可以是电流)。

直流电流 (DC)

交变电流:电流的大小和方向都随时间做周期性的变化,这样的电流叫做交变电流(Alternating current),简称交流(AC)。家庭电路中的电流,属于交流电。下图是交流电的波形:

交变电流 (AC)

我们平时用的220V市电,就是交流电。如果要点亮灯泡,交流电和直流电都是可以的。但感应电机需要交流电驱动 ,而大多数电子设备,内部都需要直流供电。

交流电和直流电流的主要区别:

  • 电流的大小不同 - 交流电的电流大小是呈现周期变化,而直流电的大小是固定的,不会产生变化。

  • 电流用途的不同 - 交流电一般是使用在断路器、空开、电力电路传输上。而直流电常用在电子仪器、电力拖动上。

  • 电流方向的不同 - 交流电的方向不是固定的,会随着周期的变化而变化。对于直流电而言,直流电的方向是固定的,且从正向负。

  • 电流特性的不同 - 交流电中是存在零点的,电压波会产生正旋波或余旋波,因而可用对应灭弧设备进行电路分合。而直流电没有过零性,因而无法制造断路器。

  • 在供配电领域,交流电比直流电更胜一筹。但在测控领域,直流电比交流电优势更大。

纯净的直流电源的重要性

纯净的直流电源是保持系统稳定的基础。若没有纯净的直流信号,您的器件可能受到损坏或性能下降。若没有纯净的电源,器件就无法保持稳定的性能,并且使用寿命也会缩短。但是,想要获取纯净的电源并不容易。

在设计器件时,您必须从一开始就考虑到电源。器件的耗电部分应该有规定的电源纹波电源噪声容限,而器件的供电部分在设计上必须达到该技术指标。器件的供电部分和耗电部分都必须正常工作,否则器件的性能和稳定性就会降低。
第 1 阶段:如何测试交流-直流转换器的效能和效率?
交流 — 直流电源转换
”大多数工程师手动进行测量,但这会花费许多时间,而这些时间原本可以花在设计和和验证流程的其他工作上。“
现有的器件无论使用电池还是市电作为电源,归根结底几乎都是使用电网提供的电力。这里您将了解如何测试交流 — 直流转换器的效能和效率。

为器件供电,第一步是要将交流电转换为直流电。为了给使用市电的器件提供直流电,您需要设计或购买交流 — 直流电源转换器。若没有纯净的直流信号,您的器件可能受到损坏或性能下降。为了确保电源供应纯净的直流电,您需要验证一些关键的电源属性。电源测试应包括:
• 输入功率分析
• 开关损耗分析
• 输出功率分析
• 效率分析
• 频率响应分析
您可以使用示波器手动查找缺陷和异常,但这需要花费大量时间,而这些时间要是花在设计和验证流程的其他环节上会更好。很多现代工具都内置有电源测量功能,能够帮助您更快地调试和验证电源设计。不过,在开始评测电源之前,您需要确保已正确地连接好电源和器件。我们首先来了解一下实际应用中最佳的电源探测技术。

电源探测技术

要使用示波器测量电源,您需要同时测量电流和电压(P = V x I)。因此,您需要一个电流探头和一个电压探头,这个电压探头应该能够安全地测量您的输入电压 — 通常来说,这就是高压差分探头。目前用于测量电源的电流探头中,最常见的类型是钳形电流探头。
为了方便探测,您应该为电流探头设计一个探测点,或者在器件上焊接一根线,从而建立一个临时电流回路,方便探头的接触(图 1.2)。一旦得到了电流和电压值,就可以使用数学公式计算功率(图 1.1)。

图 1.1:算术波形(紫色)显示通过用电压(黄色)乘以电流(绿色)得出的功率。

图 1.2:方便探测的临时电流回路。
电流探头使用一段时间后,就会形成磁场,并导致测量结果出现偏移误差。为了避免这种情况,您可以使用示波器上的通道和探头菜单,对探头进行缩微(消磁),并将偏移归零。某些探头甚至自带一个按钮。

扫描二维码:推荐阅读应用文章如何使用示波器测试开关模式电源?

输入功率分析

若您的交流输入质量较低或不符合规范,很可能会导致与之相连的其他器件无法正常工作。为了表征输入功率质量,您应该测量实际功率、视在功率和相位角等参数。示波器内置的功率应用程序可以执行这些测量。

通过测量,您将会了解非线性交流负载引起的失真是否会导致问题。查找电压波形上的凹陷或“下降”以及凸起,因为这些会造成电流尖峰,可能对器件有害。

图 1.3. 实际功率、视在功率与无功功率的关系

图 1.4:利用 DSOX4PWR 应用程序对电流谐波进行 FFT 分析的结果。

除了上述测量,电流谐波分析对于保证器件性能也至关重要。若此项技术指标超过容限,那么输入功率可能会导致连接到交流电网的其他元件发生故障。为了分析谐波,您需要让返回交流电网的频率分量的幅度变得可见。实现这一点的最佳方式是对电流波形进行 FFT 测量。通过示波器的 FFT 或快速傅立叶变换,您能够同时查看频域和时域结果,因此更方便地分析频率分量的幅度。

是德科技InfiniiVision 示波器内置了功率应用程序,可以进行高达 40 次谐波的电流谐波测量。您可以选择一个 IEC 标准作为谐波技术指标。然后,该应用程序将会对比电流谐波的测量结果与标准值,并给出颜色编码的合格/不合格指示。


开关损耗分析通过分析开关的通断过程,尽量减少功耗。“

一旦验证了输入功率符合您的技术指标要求,下一步就是检测电源的开关元件。理想条件下,开关电源没有任何开关损耗。但是,电源中使用的晶体管在实际中不可能符合理想条件,因此在开关断开和闭合时总会有一些功耗。如果能够分析开关在断开或闭合过程中损耗了多少功率,就能帮助您改进设计,尽量减少该损耗。

如何测量开关损耗?

为了测量开关损耗,您可以使用一个差分探头来测量晶体管漏极和源极之间的电压(VDS),并使用电流探头测量晶体管源极输出的电流。
对电压通道和电流通道的测量结果做乘法运算,即可得到并在屏幕上显示功耗信号。通过算术运算功能,您能够处理波形,使其显示一些通常在示波器上无法显示的信息,比如功耗。
由于功率是一个计算得到的值,所以偏移误差是导致功耗测量结果不 准确的主要根源。+/- 0.1 格的偏移误差看起来可能很小,但在您测量 传导阶段的损耗时,它会对测量结果产生巨大的影响。若您使用是德科技的 InfiniiVision 示波器测量开关损耗,请使用内置的精密校准程序先进行校准。

图 1.5:当电源进行开关切换(断开/闭合)时,您可以看到在电压 (黄色)和电流(绿色)迹线交叉的地方有一个时间段,大部分功耗(紫色)都是在这个时间段内发生。在这段时间内,电压和电流开关切换的速度越快,损耗的功率就越少。

注:在传导阶段测量功耗时,需要测量电平非常低的电压,因此必须确保示波器和探头偏移已经过校准。

一旦器件完全开启并进入传导阶段,您就会看到功率波形会出现一个尖峰,而后缓慢降回 0 W。这就是瞬时功耗。通过对瞬时功耗进行积分运算,您可以知道每个开关周期中会损耗多少功率。根据该数据,您可以改进设计元件,以便提高器件的效率。影响整体效率的一个关键因素是开关频率。开关频率越快,损耗的功率越多。因此,一个常见的设计目标就是尽量减少开关频率。

"通过算术运算,能够让示波器上通常无法显示的一些信息变得可见,比如功耗。"

输出功率分析

接下来是验证输出功率的质量。

尽管大多数电源内部都提供了某种滤波和调节,但总会残留一些周期性偏差和随机性偏差 PARD。“

电源的直流输出信号可能包含多余的交流电源纹波和电源噪声,称为“周期性偏差和随机性偏差”(PARD)。尽管大多数电源内部都提供了某种滤波和调节,但总会残留一些 PARD。如果 PARD 超出耗电器件的技术指标,就可能造成麻烦而且难以捉摸的误差。因此,规定 PARD周期性和随机性偏差的值(包括有效值和峰峰值)非常重要。峰峰值提供了关于高幅度、短持续时间的噪声尖峰的信息。这可以帮助您识别危险的大尖峰,从而避免元件损耗,减缓元件老化。有效值RMS值与标准偏差或不确定度一样,用于表征随机噪声。这可以帮助您确定功率的总体稳定度和纯净度。

通过分析周期性和随机性偏差PARD,您可以测试电源的性能和质量,及其抑制开关噪声和其他噪声源的能力。您可以修改设计,以达到器件的电源纹波电源噪声技术指标。

图 1.6:同时测量直流输出信号纹波的有效值RMS值和峰峰值。

效率分析

测试电源效率是确定电源工作性能的关键一步。效率是总输出功率与总输入功率的比值。如果效率超过特定电源技术的典型范围,很可能是因为存在设计缺陷,需要您认真解决。此外,电源消耗的所有功率都转化为热量。电源效率越高,它的温度就越低。“直流 — 直流转换”一章对效率进行了更深入的论述。

供电时序

您可以考虑增加一个电路,用于限制启动期间开关晶体管的接通时间。“

在分析直流输出时,您还应该了解开/关时序。当器件开启或关闭时,需要一系列事件依次发生,以便正确输出电压。开关电源中一个常见的错误是在开/关过程中发生了多余的事件,比如电压骤然升高,这是由反馈回路在试图补偿低电压时造成的。这会造成电流尖峰,可能损坏器件中的开关晶体管,大幅缩短电源的使用寿命。

为了防止发生这种情况,您可以考虑增加一个电路,用于限制启动期间开关晶体管的接通时间。通过在示波器上分析启动时间,您可以查看启动期间是否出现了电流尖峰,然后根据需要调整启动时延。


频率响应分析

分析电源的最后一步是评测其频率响应。器件对各种输入频率有不同的反应,称为“频率响应”。如果您发现频率响应有异常,可以对该特定频率做 FFT 变换,确定产生异常的原因。这些异常或毛刺可能会导致电源发生故障。

若您发现频率响应中有异常,可以使用 FFT 对该特定频率进行变换。“

该分析通常是完全独立的流程,需要用到网络分析仪。但如果您使用的是是德科技 InfiniiVision 示波器,那么可以利用其内置的频率响应分析功能,而无需再使用其他设备。若要测量频率响应,首先应为器件提供一系列频率,并测量器件输出的增益和相位。根据测量结果,示波器可以绘制出增益和相位随频率变化的图形,称为波特图。

示波器内置的频率响应分析仪可以供应并测量输入和输出电压。然后,它会计算每个频率下的增益,并将其添加至波特图。

增益的计算公式

增益可通过以下公式计算:

波特图通常用于分析放大器和滤波器。由于电源在本质上是一个具有负反馈控制回路的放大器(它放大交流信号,对输出负载状况的变化做出相应反馈),所以利用波特图分析控制回路响应最简单。若要进行控制回路响应测量,可以将交流电压作为输入,直流输出电压作为输出加以探测。这有助于表征电源设计的稳定度。

图 1.7:波特图显示被测器件在各种频率下会作出什么响应。

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接下来做什么?

实现纯净电源的第一步是确保将交流电高效地转换为直流电。为了测试这种转换,我们介绍了以下测试方法:验证输入功率,分析开关损耗,验证输出功率,测试电源工作性能,以及分析器件如何处理不同频率。

现在,我们已经测试完了器件的交流 — 直流电源转换元件的测试,接下来讨论如何将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。

第 2 阶段:直流 — 直流电源转换

直流 — 直流转换器的作用是将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。稳压直流电源可以在任何负载条件下提供恒定不变的电压。若没有稳压电源,您的器件性能就有可能下降,甚至完全失效。下面您將了解为确保您的直流 — 直流设计符合设计参数,需要进行哪些测试。

就像交流 — 直流转换是电气设备一个常见的供电元件,直流 — 直流转换对于器件性能和稳定性至关重要

开关模式直流 — 直流转换器在电子设备中非常常见,因为交流 — 直流转换器并不总是能够提供器件所需的全部直流电压电平。直流 — 直流转换器将直流功率从未经调节的电源转换为经过调节的电压源。然后不管负载如何变化,经过调节的电压源都会提供稳定的电压。由于现代 MPU、FPGA 和 ASIC 工作速度越来越快、工作电压越来越低,直流 — 直流转换器设计必须能够处理快速变化的负载,保持稳定的电压,并且比以往消耗更少的功率。这是一个非常高的要求,但并非无法实现。

本章将介绍为了确保直流 — 直流设计达到设计参数的要求,您通常应该执行的测试:

• 线路调节测试
电源纹波测试
• 效率测试
• 负载调节测试
• 启动时间测试

可用于测试直流 — 直流转换器的设备有很多;我们还将简要说明作为业界标准的测试工具。

开关模式直流 — 直流转换器测试

为了验证直流 — 直流转换器的性能,您需要能够进行精准的测量,而为了进行精准的测量,您首先需要一个精准的测试装置。

通常来说,您需要一个电源和一个负载来测试直流 — 直流转换器。电源为直流 — 直流转换器 — 电力,而负载消耗电源提供的电力。大多数工程师使用电子负载,允许改变从转换器吸收的电量。

”您同时需要电源和负载来测试直流 — 直流转换器。“

通过该基本设置,您可以测量输入端的电压和电流(分别为 VIN 和 IIN)以及输出端的电压和电流(分别为 VOUT 和 IOUT)。根据这些值,我们可以计算输入功率(PIN)和输出功率(POUT)。

取决于测试,我们可以使用数字万用表(DMM)、示波器、频谱分析仪或功率分析仪测量输入和输出电压和电流。

图 2.1:直流 — 直流转换器测试连接。
线路调节测试
直流 — 直流转换器的主要功能是将不稳定的电源转换为具有稳定电压的电源。这称为“线路调节”,也就是直流 — 直流转换器在输入电压发生变化时保持规定输出电压的能力。这不同于负载调节,我们将在稍后部分讨论负载调节。您可以通过线路调节测试来了解转换器处理各种直流输入电压的能力水平。
线路调节是直流 — 直流转换器在输入电压变化时维持指定输出电压的能力。
为了执行该测试,您可以在转换器的规定最小和最大电压值之间缓慢改变输入电压。同时测量输出电压。如果您的转换器工作正常的话,输出电压变化应该在技术指标规定的范围内。
图 2.2 显示了 15 V 直流 — 直流转换器线路调节测试的结果,输入电压从 2 V 扫描到 12 V。注意,一旦输入电压达到指定的输入电压 (6 V),直流 — 直流转换器就开始输出 15 V 电压。

图 2.2:15 V DC-DC 转换器的线路调节测试结果。

测试线路调节非常重要,因为它会验证您的转换器在任何预期的输入电压波动下都能提供所需的输出电压。

电源纹波测试

什么是电源纹波?

电源纹波指标是开关电源模块一项很重要的参数。电源纹波可以理解为电源模块包括 VRM 的输出电压的波动,和复杂的供电网络无关,或者说是电源输出的源端的电压的波动。
通常电源纹波频率由 MOSFET切换频率决定,在几百 KHz 到 MHz 级别,时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右,而 SSN噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关,最高可能达 GHz 级别,比如 DDR4总线切换频率可能达 2 GHz 左右。因此可见电源纹波通常在低频段,而电源噪声则要考虑到更高频段。
干净的电源是数字电路稳定工作的前提,为确保电源供应的质量,必须对电源的纹波和噪声进行测量。传统上,工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐,导致信号环境日趋复杂,同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降,相应地对电源纹波和电源噪声的要求日益提高。

以 DDR4规范 JESD79-4A 为例,VDDQ_DC 值仅为 1.2V,而 DQVref 相关参数值均有严格的范围:

表. DDR4 标准中 DQ 内部 Vref 规范表

事实上,近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps,电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一,电源纹波测试是电源完整性的一个重要方面。

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“了解如何进行最佳信号完整性测量,同时面临测量直流电源上更小、更快的交流信号的挑战。“

电源纹波的产生

我们常见的电源有线性电源和开关电源,它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净,直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号,这就产生了纹波。
通常电源纹波频率由 MOSFET 切换频率决定,在几百 KHz 到 MHz 级别,时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右,而 SSN 噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关,最高可能达 GHz 级别,比如 DDR4 总线切换频率可能达 2 GHz 左右。因此可见电源纹波通常在低频段,而电源噪声则要考虑到更高频段。
(MOSFET指金属氧化物半导体场效应晶体管。它是具有MOS结构的场效应晶体管。通常而言,MOSFET是一个三引脚器件,分别是栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。)

干净的电源是数字电路稳定工作的前提,为确保电源供应的质量,必须对电源纹波和电源噪声进行测量。

传统上,工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐,导致信号环境日趋复杂,同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降,相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。

电源纹波噪声的危害和抑制

纹波是一种复杂的杂波信号,它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号,周期和振幅随着时间不断变化,并且不同电源的纹波也各不相同。但是一般来说纹波是有百害而无一利的。

电源中携带的纹波会在电器上产生谐波,降低电源的使用效率。而高频纹波噪声还可能产生浪涌,导致电气设备非正常运行,加速设备老化。在数字电路中,纹波会干扰电路的逻辑关系,给通信、测试和计量带来噪声干扰,影响信号的正常测量,甚至损坏设备。

事实上,近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps,电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一,电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。

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电源纹波测试类似于线路调节测试,但主要是确认转换器如何处理交流输入。请记住,直流 — 直流转换器必须是将不稳定的输入电源转化成稳定的输出电源。因此,直流 — 直流转换器必须过滤掉输入电源中的电压纹波。借助纹波测试,可以了解直流 — 直流转换器如何抑制输入电源(VIN)中的纹波。

”借助纹波测试,可以了解直流 — 直流转换器如何抑制输入电源(VIN)中的纹波。“

为了进行电源纹波测试,使用纹波较小的直流电压作为转换器的输入,如图 2.3 所示。
有多种方式可以创建包含电源纹波输入。一种方式是利用函数发生器创建正弦波,然后将该信号与电源的输出混频。某些电源有模拟输入,允许您将函数发生器提供的外部信号添加到直流输出中。创建纹波的另一种方式是,使用具有内置函数发生器的电源,比如 Keysight N6705C 直流电源分析仪。
将电子负载设置为恒流模式后,使用示波器测量直流 — 直流转换器的输出电压。您通常会看到直流电压输出的顶部有一定量的电源纹波。这就是输出纹波。借助频谱分析仪,您还能够检测输出纹波的各种频率分量。如果您有高频纹波,它们极有可能来自转换器的内部开关体系结构。

”重要的是确保器件能够处理转换器内部的纹波和不稳定电源导致的纹波。“

还需要注意的是,直流 — 直流转换器的输出上总会有一些纹波,这是由其内部开关频率和其他内部拓扑导致的。重要的是确保器件能够处理转换器内部的纹波和不稳定电源导致的纹波。

图 2.3a:N6705A 设置为在 9 V 输出上生成 500mVpp 电源纹波

图 2.3b:示波器上的 N6705C 输出。

效率测试

通常来说,直流 — 直流转换器最重要的测试就是效率测试。对于电池供电器件尤为如此,因为效率直接影响电池使用寿命。转换器的效率是输出功率与输入功率的比值。若要测试效率,应使用直流电源为转换器提供电力,并使用电子负载从转换器获取电力。直流 — 直流转换器设计的效率通常会受到输入电压和负载所消耗电量的影响。

”转换器的效率是输出功率与输入功率的比值。“

图 2.4 显示了各种输入电压(6 V、9 V 和 12 V)下效率与负载电流的关系。电子负载配置为从负载电流 0 扫描到 10 mA。如您所见,负载牵引的电流越多,转换器的效率就越高。当牵引的功率接近转换器的输出功率极限时,效率将会下降。因此当您选择直流 — 直流转换器设计时,务必在设计中留出足够的功率余量,用于控制负载。
转换器的效率是产品电池使用寿命的基础。它有助于确定器件的重量、电池使用寿命以及可以加入到器件中的各种功能。

图 2.4:不同负载电流下的效率测试结果。

负载调节测试

负载调节测试测量的是直流 — 直流转换器在变化的负载电流下维持指定输出电压的能力。为了进行该测试,使用电子负载改变输出负载,使电流在指定最小和最大负载电流值之间变化。尽管电子负载从直流 — 直流转换器中拉取不同的功率,输出电压还应保持在设计的技术指标范围内。

”负载调节测试测量的是直流 — 直流转换器在变化的负载电流下维持指定输出电压的能力。“
图 2.5 显示了负载调节测试结果。注意当牵引的功率超过最大功率输出能力时,直流 — 直流转换器就无法再将输出电压维持在 15 V。

图 2.5:变化负载电流下的负载调节测试结果。

当从直流 — 直流转换器中拉取更多功率时,输出电压可能会发生波动。当转换器因为更多的功耗而开始变热时,这种情况尤其如此。重要的是确保转换器的电压输出保持在功率包络的技术指标范围内。

启动时间测试

启动时间测试将测量向直流 — 直流转换器施加输入电压的时间与输出电压变稳定的时间两者之间的时延。对于该测试,在直流 — 直流转换器输入端连接一个示波器信道,在直流 — 直流转换器的输出端连接另一个通道。设置示波器,使其在向直流 — 直流转换器施加输入电压时触发。图 2.6 显示了该测试的典型结果。
启动时间非常重要,因为现代 MPU、FPGA、ASIC 等 对输入电压有启动电压时序要求。如果不遵循器件的启动电压时序,将会导致器件启动失败,甚至是永久性损坏。
上电时序将在下一章中作进一步介绍。

”启动时间非常重要,因为现代 MPU、FPGA、ASIC 等对输入电压有启动电压时序要求。“

图 2.6:BenchVue 启动时间测试和捕获装置。

直流 — 直流转换器测试所需的设备测试

直流 — 直流转换器时,通常需要使用多种不同的仪器。

若要了解时序特性,您需要一个示波器。若要了解潜在的有害频率分量,您需要一个视频分析仪。若要进行电源纹波测试,您需要一个直流电源和一个函数发生器。
这些都是此类测试常用的工具,但协调使用这些器件可能比较困难。通常来说,您还需要编写代码,以便让这些仪器达成同步,这可能非常复杂并且耗时。
如果您在测试功率时经常需要协调使用多个仪器,不妨考虑很多工程师都在使用的解决方案,即使用综合功率分析仪,比如 N6705C 直流功率分析仪。其灵活的配置允许您将电源、示波器和函数发生器功能整合成一体,那么您就可以跳过设备设置步骤,立即开始测试和验证您的电源设计。

接下来做什么?

直流 — 直流转换器在现代电子中扮演着非常重要的角色。它们必须提供稳定可靠的电源,同时消耗尽量少的功率。直流 — 直流转换器的基本功能包括线路调节测试、电源纹波测试和负载调节测试。效率测试确保直流 — 直流转换器在工作时不会消耗太多功率,而现代 IC 所需要的严格启动电压时序就是启动时间测试中的一项测试。
我们已经了解了器件的交流 — 直流和直流 — 直流供电元件,现在来进一步了解如何测试和保护您的耗电器件。

第 3 阶段:测试和保护耗电器件

完全纯净的电源是不存在的。因此,您必须对器件进行测试,了解它对非理想电源的适应程度。跳转到本章,了解如何避免损坏器件,以及测试器件噪声容限的技巧。
本章探讨了在测试耗电器件时应考虑的四个主要的考虑因素:

器件电流测量技术。无缝测量电流是评测电池使用寿命和器件功率管理的关键步骤。
上电时序技术和考虑因素。时序不正确,会导致严重的性能问题和器件损坏。
在测试中,您可以通过两种方式来保护您的器件免受意外损坏。
分析和减小 PARD 的最佳实践。

器件电流测量技术

功率器件比如可穿戴电子设备、便携式医疗设备和智能手机消耗功率的速度变化极大,从几微秒到几秒,从几皮安到几安。在设计具有较长电池使用寿命的器件时,精确的功率分析至关重要。为了进行高精度的功率分析,您需要快速获得精确的、正确表征电池漏电流的测量结果。

测量这些器件电流消耗的主要挑战是,电流信号具有很宽的动态范围。”

测量动态漏电流

为节省电池供电器件如无线传感器的电能,您需要设计器件的子电路,使其只在必要的时候激活并工作。
大多数时间,器件处于休眠模式,漏电流最小,只有实时时钟在工作。器件定期唤醒,执行测量并将数据发送至接收节点。
为了优化电池使用寿命,您应该对器件性能进行表征,并了解器件在每种模式下的电能要求。这可能会比较困难,因为每种工作模式有其自己的电流消耗范围,通常各不相同,休眠模式下只有几微安,而在发射模式下能够达到 100 毫安。

表 1:测量、发射和休眠期间典型的传感器电流以及相应的持续时间。

图 3.1:对通话中的手机进行的漏电流测量。

测量这些器件电流消耗的主要挑战是电流信号有很宽的动态范围。移动器件通常在活动状态之间来回切换,在活动状态,器件牵引非常高且快速的峰值电流,而在空闲或待机电流模式中,器件只牵引非常小的直流和交流电流。图 3.1 显示了对通话中的 GSM 手机进行的漏电流测量。活动电流峰值高达 2A,但在空闲模式下,漏电流极小。通常来说,要精确测量该信号非常困难。

无缝电流测量

由于传统器件在如此宽的动态范围内很难准确测量信号,设计人员通常会采用电源/测量单元(SMU)。众所周知,SMU 在输出和测量电流时具有极高的精度。
然而,传统的 SMU 并不适合用于输出和测量电池供电器件及其组件。它们通常缺乏电压瞬态响应能力,无法保持稳定的输出。即使它们能够在固定量程内提供非常精确的测量值,但也没有能力不中断测量就快速改变量程。此类中断会导致您错过器件功率消耗的重要时刻或损失其他量程的测量精度。
为了避免此类问题,在测量宽动态范围器件时,务必使用具有无缝量程的 SMU。
通过无缝量程,您能够从一个电流量程流畅地切换到另一个电流量程,电源输出中不会出现毛刺或中断。对于各种待机(低电流)和发射(高电流)状态重复切换的器件来说,这一特性对它们的功率和电池优化测量非常重要。图 3.2 是通过无缝量程测量动态电流的示意图。

“通过无缝量程,您能够从一种电流量程过渡到另一种电流量程,不会导致电源输出出现毛刺或中断。”

无缝电流测量200kHz、18 位数字化仪的运作方式与单量程 30位数字化仪相似

图 3.2:通过无缝量程测量动态电流。

对多路功率输入正确排序,以便为器件提供保护

大多数器件具有多路直流输入,可能对输入开启或关闭的顺序非常敏感。
不受控制的顺序可能导致闭锁或电流过大,进而导致可靠性降低甚至发生直接灾难性故障。因此,正确排列多个电压的开启和关闭顺序是确保性能和可靠性的基础。

“合理安排开启和关闭多个电压的顺序对于确保性能和可靠性至关重要。”

有几种方法可以防止排序错误的功率输入:
1. 可以在输入之间放置二极管,以便钳位电压,进而防止输入电压高于或低于其他输入电压。但这种方法效果有限而且会导致混乱,不建议这样做。
2. 继电器可以与每路输入串联,并用计时电路控制,但继电器会引入可变的串联阻抗,并且计时通常也不精确。继电器还会增加额外的成本,因此仅在必要的情况下使用。
3. 包含相关控制电路的 FET 可以与每路输入串联。然而,这种方法需要花费大量时间进行设计,并且会增加设计复杂度。
4. 多个直流电源可以通过软件控制,但时间同样并不精确,并且响应速度会比较慢。

最好是使用有输出排序功能的电源系统。这种方法最精确,并且引入的复杂度最低。

很多系统都能够精确控制多路输出的开启和关闭顺序。然而,在测试器件时,业界最佳实践是使用实验室电源代替最终作为设计一部分的电源。

这样,您就可以通过第 2 章介绍的测试验证电源,并使用本章中的技巧验证器件。进而,您能够更容易地隔离令人难以捉摸的误差或性能问题。

为了给器件供电,您需要能够仿真系统最终电源的实验室电源,即能够设置亚秒级分辨率时序的电源。如果您需要仿真大量器件输入,实现所有实验室电源系统之间的同步也非常有帮助。

"最好是使用综合有输出排序功能的电源系统。"

图 3.3 显示了使用 Keysight N6705C 功率分析仪进行开启顺序测试的简单示例。通过为每路输出设置不同的开启时延,准确控制开启时序。
当所有输出需要同时开启时,时延会自动激活,使输出按顺序开启。
在本例中,电源分析仪正在仿真 4 路输出电源。这四路电源输出分别供应 10 V、7.5 V、5 V 和 3.3 V 电压,同时时延分别设置为 5 ms、10 ms、15 ms 和 20 ms。如需进一步测试,您还可以单独设置每路输出的输出电压上升时间(压摆率)。图 3.4 显示了电源分析仪内置示波器的实际信号输出。
通过控制器件的上电时序,您即使在非理想状况下也能够测试器件的性能。这有助于您识别潜在的风险,并为您的器件选择合适的电源。

图 3.3:N6705C 时延设置很简单,并且有利于精确的输出电压开启排序。

图 3.4:N6705C 的内置示波器显示输出根据设置的时延精确开启。

在使用电源进行测试时如何保护器件?

"器件故障的主要原因是出现过压和过流事件。"

器件故障的主要原因包括过电压和过电流状况。有时,过压或过流状况持续时间非常短,但也有时会一直持续直到被发现。在任何一种情况下,过压和过流状况都是非常危险的。

通过控制电源的电流和电压输出,您就能够避免被测器件在故障或接近故障状况下超过极限。发生过压或过流状况的原因有很多,包括:
• 内部电路故障导致输出电压升高
• 器件控制器故障或编程错误
• 不正确地使用多个电源,如其他电源或电池
• 感应导线连接开路
• 使用本地电压感应,而不是远程感应
• 短接电源输出端子会造成过压状况,进而导致器件发生放电电流浪涌。
• 大器件
冲击电流
• 器件过载导致过大电流
• 与即将发生或实际存在的器件电路故障有关的过大电流
• 测试系统接线短路

大多数直流电源都具有保护功能,能够在出现破坏性电压或电流时,保护器件的安全。这称为过压保护和过流保护。当器件触发电源保护电路动作时,保护电路会关闭其输出并显示警告。在测试时,您必须了解并使用这些保护特性。

"大多数直流电源都具有保护功能,能够在出现破坏性电压或电流时,保护器件的安全。"

过压保护

什么是过压保护?

过压保护是指在电路中采用的一种保护措施,可以防止设备在电压超过安全范围时遭受损坏。过压保护技术可以防止突发的高电压干扰,保障设备的长期可靠运行。在电源和信号源之间安装过压保护器,可以有效地防止设备受到电磁干扰的影响。

过压保护原理主要包括两种:

  • 一种是在电路中设计过压保护回路,通过电压传感器将电压信号进行采集,当电压超过设定的范围,发出报警信号,同时通过接触器开关来切断电路。

  • 另一种是采用过压保护器,工作原理对电路进行瞬间电压测量,当电流过大时,就会自动切断电路,以保障设备的安全运行。

过压保护(OVP)的值以伏特为单位,旨在保护器件免受过大电压破坏。当电源输出电压超出过压保护设置值时,就会触发保护功能动作,输出关闭。电源默认总是开启过压保护,但其通常设置为刚好高于电源的最大额定输出。

为了保护器件,应将过压保护电平设置得足够低,以避免出现过大电压,但也要足够高,以防止在出现正常波动时发生“错误跳电”。波动通常发生在输出瞬变状况下,比如负载电流变化。

过压保护电路在几微秒内对过压状况作出响应;然而,输出电压自身不会立即下降。输出的下降时间取决于电源的向下编程功能以及连接到输出的负载。某些电源在输出端有一个硅控整流器(SCR),当触发过压保护时该硅控整流器就开始工作,实现更短的下降时间。

图 3.5:左下角的过压警告表明已经触发过压保护。

过流保护

过流保护是什么意思?

过流保护(Over Current Protection - OCP)就是当电流超过预定最大值时,使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时,保护装置启动,并用时限保证动作的选择性,使断路器跳闸或给出报警信号。

过流保护(OCP)电路旨在保护器件免受过大电流破坏。限流设置将确定电源会在电流超出多大值(A)时阻止电流流动。这与恒流(CC)模式不同。恒流模式只是将输出电流调节到限制电流之下,但不会完全关闭输出。恒流模式下,电压会下降到指定电压设置值以下,电源将继续输出 电流。

"过流保护(OCP)电路旨在保护器件免受过大电流破坏。"

与恒流模式相反,过流保护功能将会完全关闭输出,以防止过大电流流入器件。过流保护功能激活且电源进入恒流模式时,保护电路会触发动作并关闭输出。

过流保护功能有效地将限流设置转换为跳闸值。务必将电流限值设置得适中,既保护被测器件免受过大电流破坏,也防止因为输出电流中的正常波动而导致错误跳闸。此类波动通常发生在输出瞬变状况下,例如在输出电压变化期间。与过压保护功能不同,过流保护功能默认关闭。

图 3.6:左下角的过流警告表明已经触发过流保护。

什么是周期性和随机性偏差(PARD)?

周期性和随机性偏差Periodic and Random Disturbances,简称PARD(通常称为纹波和噪声)是指在特定带宽下,其他所有参数保持恒定时,直流输出电压与平均输出电压的周期性和随机性偏差。它代表的是调节和滤波电路后仍然残留在直流输出电压中的所有多余的交流和噪声分量(参见图 3.7)。PARD周期性和随机性偏差测量值为 RMS 值或峰峰值,通常是在 20 Hz 到 20 MHz 带宽范围内指定。技术指标给出了 20 Hz 以下的偏差,称之为输出漂移。

"PARD(通常称为电源纹波和噪声)是指直流输出电压与平均输出电压的周期性和随机性偏差。"

在很多应用中,低输出电源纹波是影响器件性能的一个重要技术指标。
例如:电源为高增益放大器供电,如果没有足够的纹波抑制,电源 PARD 的一部分就会与所需信号一起被放大。这会导致器件中出现某些误差。
同时测量 PARD 的峰峰值和有效值RMS值,也是非常重要的。峰峰值提供的是关于高幅度、短持续时间噪声尖峰的信息,而 RMS值帮助您确定预期的信噪比。
尽管某些 PARD 无法避免,但在设计过程中尽量减少它们会非常有用。

图 3.7:PARD 由电源直流输出上叠加的多余信号组成。

如何消除低电平测量中的噪声?

低电平测量中的噪声可能有不同的来源,消除电源噪声比过滤噪声更容易。在进行低电平测量时,尽量消除以下来源的噪声:

电源噪声

首先采用低噪声电源是避免测量结果中包含噪声的一种好办法。线性电源具有较低的共模噪声电流,并且通常在较低的频率上工作。然而,如果开关模式电源的技术指标中包括低共模电流,那么您就可以成功地使用它们。根据经验,超过 20-30 mA 的共模电流可能会导致故障。

"根据经验,共模电流超过 20-30 mA,就可能会导致故障。"

什么是电源噪声?

电源噪声是电磁干扰的一种,其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz,最高可达150MHz。电源噪声,特别是瞬态噪声干扰,其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强,对微机和数字电路易产生严重干扰。

被测器件与电源的连接

过减少接地回路降低传导噪声。在理想状态下,接地连接应该只有一个。但是在机架系统中,不可避免会存在多个接地点,此时需要将直流配电路径与其他承载接地电流的传导路径隔离开来。如有必要,使电源浮置(任何端子均不直接接地)。
使用屏蔽双绞线作为输出和远程感应导线,从而尽量减少辐射(电子和磁性)干扰。为了确保屏蔽线不携带电流,只将屏蔽线的一端接地,首选电源单点接地(图 3.8)。

图 3.8:使用屏蔽双绞线作为输出和远程感应导线,以尽量减少辐射干扰。
通过均衡正负输出端子的对地阻抗,尽量减少电源的共模噪声电流。同时,均衡被测器件的正负输入端子的对地阻抗。磁性耦合和电容泄露为噪声接地回路电流提供一个更高频率的返回路径。为了均衡被测器件在测试频率下的对地阻抗,应使用一个共模扼流圈与输出导线串联,并在每条导线与大地之间并联一个电容。

被测器件的电流变化

测器件电流需求的快速变化会造成电压尖峰。为了防止这种情况,在负载附近增加一个旁路电容。电容在极高测试频率下应该有较低的阻抗。避免负载导线电感不均衡;最好是直接连接到被测器件,比如屏蔽双绞线对。

图 3.9:一组屏蔽双绞线对(STP)。

接下来做什么?

为了确保设计有效且高效,您必须确保供电和耗电模块都正常工作。在本章中,我们探讨了有助于保护和表征耗电器件的四个关键方面。

我们已经讨论了如何测试和保护耗电器件,现在我们来了解一些可用于获取纯净电源的解决方案吧。

结论:实现纯净的电源

了解这三个阶段涉及的测试及其操作技巧,可以帮助您消除系统中的更多噪声。现在,您已经知道了如何获得纯净的电源,接下来就可以专注进行设计了。

纯净电源对于提高器件性能和可靠性非常关键。为了帮助您找出并消除系统中的噪声,实现纯净电源,我们在本指南中列出了三个阶段。

通过分析第 1 章中列出的关键电源属性,测试交流到直流转换器的有效性和效率。使用现代化工具提供的自动化功能,可以节省测试时间,并加快进入下一阶段测试。

请参阅第 2 章,了解有效测试直流 — 直流转换器的技巧。通过满足纹波和噪声容限,让器件达到稳定。消除噪声,从而确保直流 — 直流转换器能够处理快速变化的负载,维持稳定的电压,并且消耗较少的电量。

减少纹波和噪声非常重要,但没有电源是完全纯净的。重要的是测试器件如何处理非理想的功率。根据第 3 章中介绍的步骤,避免损坏器件。切记,消除噪声比过滤噪声容易得多。因此,使用本指南中的实用技巧找出并消除系统中的多余噪声,您就开始获得纯净的直流电源了。

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