如何简单、暴力、准确地测量电源的纹波

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如何简单、暴力、准确地测量电源的纹波

2024-07-04 15:06| 来源: 网络整理| 查看: 265

在之前的电源评测当中,几乎每一期视频都下面,都会有人提出有关纹波测量的一些疑惑,甚至还有部分大神在没有展示测量仪器及方法的情况下,直接说出你测量纹波的方法是错误的。为了避免每一期视频都都当复读姬,所以这次视频讲将会单独讲下纹波的测量方法以及注意的细节。

 

当然第一个问题,什么是纹波?

很多人眼里面直流电源的输出电压是完全不变的,实际上在接入了高速的测量仪器比如示波器之后就会发现,其实电压也是有略微的波动。除去这部分直流电压,剩下的交流波动就叫做纹波(操作如下:把示波器的耦合设置成交流就可以)。

那么纹波又是怎么产生的呢?

作为开关电源,其中的开关高速开启和闭合,那么输出的电压也会忽高忽低。这部分频率通常是几十到几百KHZ,也被称作高频分量。

有的开关电源是插入交流电使用的,在经过了滤波整流之后就出现100HZ的波动。这部分被称作低频分量。

在纹波的测量中通常还会测到一部分不属于纹波的高频干扰,被叫做噪声。也就是外部的电磁干扰、寄生电容电感的振荡以及开关产生的尖刺信号等。这个通常是MHZ级别。

纹波属于交流,有峰值和有效值之分,比如常用的市电220V就是有效值,峰值就是311V。峰峰值,其洋文名字为:Voltage Peak to Peak,简称“VPP”,以后我们都会使用英文的简称,毕竟我们也知道观众之中洋文好的人可多的很呐!

 

那么如何测量纹波呢?

有不少人以为直接拿表笔这样接上就完事了。

当这样操作之后就会发现,测出来的结果会比真实的纹波大出不少,通常有好几百毫伏。

这是因为探头的这部分导线会成为一个巨大的接收器,接受周围环境中的电磁干扰。要准确测量纹波这部分干扰必须得消除。

其中比较简单的解决办法是这样的。用一根短线接在探头顶部的同轴线缆上,从而降低这部分的面积。

很多人在做出改进之后会发现并没有多大的用处。纹波依旧很大,这又是为什么呢?

这是因为我们忽略掉了输出线材处的干扰,毕竟这部分面积比探头大多了。要消除这部分干扰必须要对电源进行拆解,然后把探头接在电容处。当然这种办法只适合于研发阶段,并不适合于后期的评测。

这里稍微说一点必要的人生经验,接地环的固定往往并不是非常稳,很容易在测试过程中出现脱落的现象。在做开发的时候可以在测试的PCB上专门留一个方便插表笔的接口,或者BNC接口。比如我们就单独设计了一条治具,这样不光可以方便从24Pin取电,还简化了纹波测量,这是坠吼的。  

其实减小这部分的干扰也不算困难,英特尔在电源设计手册中提到了,可以在示波器探头处接入一个大容量钽电解电容和小容量的陶瓷电容从而滤除干扰,这种电容通常被称作去耦或者退耦电容。

不过在之前视频的评论区中也有位朋友认为这种测量方法是错误的,欢迎向intel发邮件指出错误。

既然大电容都10uF了,再并联一个0.1uF的电容有何意义呢?

实际上真实的电容并不是纯粹的理想电容,都有电阻(ESR)以及电感(ESL)存在,也就是俗称的内阻与内感。由于工艺的不同,小容量的陶瓷电容具有较小的电阻与电感,可以有效的过滤高频。不过由于容量较小,对于低频的影响并不是很大。电解电容恰恰相反,容量很容易做大,能够有效去除低频干扰。但是电阻和电感也很大,并不能有效除去高频干扰。10uF的电容对于PC电源这种动辄几千上万微法的输出电容来说并不大,也不会过度降低纹波,从而造成报道上的偏差,于是钦定了10uF。不过其他的电源有的用1uF也有100uF甚至更高的,具体选择多少得看厂家的基本法了。

 

如果说要有一点注意事项那就是带宽限制。通常PC电源的反馈环路速度不够高,20兆赫兹的频率已经超过了电源的可调范围。如果使用的示波器的带宽比较高就需要限制一下,不然测出的纹波会偏高。

 

有的人可能会注意到了示波器这里有一个输入阻抗设置,可以设置成高阻抗(1M欧姆)或者低阻抗(50欧姆)。对于大部分示波器来说这个是可以切换的,而不像有的人想的那样,要实现不同的阻抗输入还需要把之前的示波器扔掉换新的。那么这两种设置有什么不同呢?

这里以声音举例子,当声波进入不同的介质的时候,会在交界处产生一个反射,最典型的便是声纳。假如这部分介质比较均匀或者性差不大,那么反射现象就不那么明显。电磁波同理,导线的电阻低,示波器的输入阻抗高,电磁波便会在示波器和导线之间来回弹动,从而出现干扰。降低示波器的输入阻抗便能有效降低这部分干扰。

这里单独说一下阻抗匹配时的注意事项。很多人以为拿个普通的无源探头接上去,然后把示波器设置为50欧姆就行。但是这样会使测得的纹波远远低于正常值,这又是为什么呢?

实际上探头也等效于一个串联的电阻,这个电阻通常在200欧姆左右。这部分电阻会分得一部分的电压,使得实际示波器分压会低很多。

50欧姆的低阻抗通常是配合同轴电缆或者有源探头使用。假如探头的内部阻抗也是50欧姆就需要把示波器的衰减比设置为2。为了防止出现报道上的偏差这里也单独说一下,不同的探头设置不一样,有的探头不需要单独设置成2,具体操作还是得看探头的说明书。

在实际使用中我们可以发现50欧姆的阻抗确实纹波会略低一点,但是对于PC电源这种纹波要求不高的场景,1兆欧姆的输入阻抗实际上是够用的。

 

如果说还有一点要注意的就是采样率,也就是单位时间内采集的点数。示波器一次能存储的数量是有限的,其存储深度=采样率*采样时间,也就是屏幕上显示的时间越长,其采样率会越低。所以如果有条件尽量把显示的时间缩短一点。

 

很惭愧时间有限,这里只能对纹波的测量做出一点微小的讲解。如果你们想继续提高自己的姿势水平可以去知网,文库等地方查看相关的论文。比如使用电容隔直之后测量,降低输入电压。还有借助差分探头的差分测量法,以及家境贫寒使用俩探头的数学差分法等。

 

    最后呢,虽然我们也不是长者,但是还是要给出一点必要的人生经验。有的内容别人不单独拿出来讲,并不是因为人家不懂,而是这部分在相关领域属于常识。很多时候作者也没想到会有那么多人会提出疑惑。以美食区为例,很多西方人并不能熟练使用筷子,但是亚洲的美食区博主基本上不会花大量的精力讲讲筷子的使用,这并不是因为亚洲人不会用,而是因为属于常识,没必要单独讲解。



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