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工程师国庆“旅行”指北电源纹波测量有奖之旅
时间:2021-10-07

  1974年的示波器长啥样?看图片下方, Model 556是他的名字。2021年的示波器长啥样?看图片上方,他也是我们本次电源纹波

  电源纹波是电源品质的重要指标之一,除了工程师外,普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波,但是具体操作流程存在随意性大,可复现性低等问题。本文从基本概念出发,以RaspberryPiPico为例,介绍了电源纹波测量的基本流程。本文以实测演示对比来描述精通纹波测量需要掌握的技巧和注意要点,帮助用户实现纹波测量又快又准的目标。

  随着集成电路的发展进步,用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V左右,用于移动设备的LP-DDR系列存储器,供电电压最高也不超过1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备,对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外,普通用户在经受低质量电源困扰之后,也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真(Hi-Fi)音响爱好者圈子里,就流传着 “火电力度大,水电解析力高,雅鲁藏布江的水电效果好” 等段子。更不乏为了改善电源质量,花重金购买一根昂贵的电源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据,但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。

  电源品质中,一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波(ripple)通常认为是在直流电源输出中,叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通常是在交流转直流过程中,由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是,虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的,并且原理上不存在纹波,但是对于使用电池供电的设备,我们仍然需要关注电源的纹波。一方面,随着电池容量的消耗,电压会逐渐降低,为了保证用电设备的输入电压恒定,电池的电压会经过DCDC转换器进行变换,此时会引入额外的交流分量。另一方面,用电设备对电压的需求不一致,一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨,因此会引入多个电压转换器,进而产生不同的交流分量。

  这里以一个常见的Raspberry Pi Pico开发板的电源模块为例,介绍电源纹波测量的基本流程。

  Raspberry Pi Pico是一个小巧实用的MCU板子,供电由一颗来自RICHTEK的RT6150B完成,输出电压是3.3V,电路如图1所示。RT6150B是一个Buck-Boost转换器,因此输入电压既可以高于也可以低于3.3V。板子的供电来自的5V,实现的是降压转换。值得注意的是,RT6150B有一个Power Save Mode(PSM)。当芯片的7脚(PS)拉低时,PSM启用,芯片工作在PFM模式,效率较高,但是纹波也较高。当PS拉高时,PSM禁用,芯片工作在PWM模式,轻载时效率降低,但是纹波也较低。

  实际测量时,我们通过软件控制PS拉低或拉高,从而使供电模式在PFM和PWM之间切换,进而对比二者的差异。测量点位方面,供电输出处有一颗电容C2,我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。

  探头:纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量,因此和普通电压信号测量比较类似,选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减,例如有1X和10X两个档位,需要设置到没有衰减,即1X的档位上。

  探头接地线:拔掉。没错,去掉探头上所有的接地延长线,包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件,可以用最短的路径就近接入板上的地线。

  垂直通道:设置为AC耦合;带宽限制设置为20 MHz;本着先粗后细的原则,垂直刻度可以先设大一些,例如50mV/div;检查并确认探头的衰减正确设为了1X。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。

  时间刻度:本着先粗后细的原则,时间刻度可以先设大一些,例如1ms/div,待后续观察到信号后,再放大查看细节。

  使用上述配置,可以测得输出电容两端的交流电压如图3和图4所示。为了方便对比,2张图的垂直刻度都统一设置为了5mV/div。

  我们不难发现,相比PWM模式,PFM模式下,电源的纹波是明显大的,这和datasheet的描述是一致的。

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