了解开关稳压器输出工件可以加快电源设计

了解这些构件，设计师可以成功地将开关稳压器集成到更广泛的高性能、噪声敏感应用中。

介绍

最小化开关调节器的输出纹波和瞬态是很重要的，特别是在驱动噪声敏感设备时，如高分辨率ADC，其输出纹波会在ADC的输出频谱上出现明显的刺激。为了避免降低信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)，开关稳压器通常被低dropout稳压器(LDO)取代，以交换开关稳压器的高效率换取LDO的清洁输出。了解这些构件将使设计师能够成功地将开关稳压器集成到更广泛的高性能、噪声敏感应用中。

本文介绍了测量开关稳压器输出纹波和开关瞬态的有效技术。测量这些伪影需要非常小心，因为一个糟糕的设置会导致不正确的读数，由示波器探头的信号和接地线形成的回路会引入寄生电感。这增加了与快速切换过渡相关的瞬态振幅，因此必须保持短连接、良好的技术和宽带宽。在这里,ADP2114双2a /单4a同步降压dc-to-dc变换器用于演示测量输出纹波和开关噪声的技术。这个buck调节器提供了高效率和工作在高达2mhz的开关频率。

输出纹波和开关瞬态

输出纹波和开关瞬态取决于调节器的拓扑结构，以及外部元件的值和特性。输出纹波是与调节器的开关操作相关联的残余交流输出电压。其基频与调节器的开关频率相同。开关瞬态是发生在开关跃迁过程中的高频振荡。它们的振幅，以最大峰对峰电压表示，由于高度依赖于测试设置，很难精确测量。图1显示了输出纹波和开关瞬态的一个例子。

图1所示。输出纹波和开关瞬态。

输出纹波的考虑

调节器的电感和输出电容是影响输出纹波的主要元件。小电感以大电流纹波为代价得到更快的瞬态响应，而大电感以大电流纹波为代价得到更慢的瞬态响应。使用低有效串联电阻(ESR)的电容，最大限度地减少输出纹波。具有X5R或X7R电介质的陶瓷电容器是一个很好的选择。通常使用大电容来降低输出纹波，但输出电容的大小和数量是以成本和PCB面积为代价的。

频域测量

当测量不需要的输出信号伪影时，功率工程师考虑频域是有用的，因为这提供了一个更好的视角，以了解输出纹波及其谐波在每个相应的功率级别中所占的离散频率。图2显示了一个示例频谱。这类信息有助于工程师确定所选择的开关稳压器是否适合其宽带射频或高速转换器应用。

要进行频域测量，在输出电容上连接一个50 ω的同轴电缆探头。信号通过一个dc阻塞电容，在频谱分析仪的输入端以一个50 ω的终端结束。直流阻塞电容器防止直流通过频谱分析仪，避免直流负载影响。50 ω的传输环境使高频反射和驻波最小化。

输出电容是输出纹波的主要来源，因此测量点应尽可能靠近。从信号端到地的回路应尽可能小，以减小可能影响测量的附加电感。图2显示了频域的输出纹波和谐波。在规定的工作条件下，ADP2114在基频产生4 mv的p-p输出纹波。

图2。频域图使用光谱分析仪。

时域测量

当使用示波器探头时，通过消除长地引线来避免地回路，因为由信号尖端和长地引线形成的回路会产生额外的电感和更高的开关瞬态。

当测量低电平输出纹波时，使用1×无源探头或50 ω同轴电缆而不是10×示波器探头，因为10×探头将信号衰减10倍，将低电平信号向下推至示波器噪声层。图3显示了一种次优探测方法。图4显示了使用500 mhz带宽设置测量得到的波形。高频噪声和瞬态现象是由于长接地线形成的回路造成的测量伪影，并不是开关调节器固有的。

图3。地面循环导致输出错误。

图4。开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

图5。探索了尖端枪管法随机开关输出点。

图6。开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

如图7所示，使用接地线圈直接探测输出电容产生的输出纹波的细节接近最佳。开关跃迁处的噪声得到改善，PCB上的痕量电感显著降低。然而，一个低振幅的信号轮廓仍然叠加在纹波上，如图8所示。

有几种方法可以降低杂散电感。一种方法是移除标准示波器探头的长接地引线，而将探头的筒体连接到接地基准。图5显示了tip-and-barrel方法。然而，在这种情况下，尖端是连接在稳压器输出的错误点上，而不是直接连接在输出电容上。接地引线被移除了，但是由PC板上的痕迹引起的电感仍然存在。图6显示了使用500 mhz带宽设置产生的波形。由于去掉了长接地线，高频噪声更小。

图7。利用线圈接地的尖筒法探测输出电容。

图8。开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)。

最好的方法

探测开关输出的最佳方法是在50 ω的环境中使用50 ω同轴电缆，并以示波器可选的50 ω输入阻抗为端子。在稳压器的输出电容和示波器的输入电容之间放置一个电容，可以阻止直流流。电缆的另一端可以用非常短的飞引线直接焊接到输出电容上，如图9和图10所示。当在宽带宽上测量非常低的信号时，这样可以保持信号的完整性。图11显示了在500mhz测量带宽下，尖端-枪管法和探测在输出电容上的50 ω同轴法的比较。

图9。最好的探测方法采用端接50 ω同轴电缆。

图10。例子的最好的探测方法。

图11。交换节点法(1)、尖桶法(3)、50 ω同轴法(2)。

这些技术的比较表明，同轴电缆在50 ω的环境中提供更精确的结果，噪音更少，即使在500兆赫频宽。将示波器带宽更改为20 MHz将消除高频噪声，如图12所示。ADP2114在时域产生3.9 mV p-p的输出纹波，与在频域设置20 mhz带宽时测量到的4mv p-p值密切相关。

图12。交换节点(1)和输出纹波(2)。

测量切换瞬变

与输出纹波相比，开关瞬态具有较低的能量但较高的频率含量。这发生在切换转换期间，通常被标准化为包括纹波在内的峰对峰值。图13显示了在500 mhz带宽下，使用带长接地引线的标准示波器探头和50 ω同轴端子测量的开关瞬态的比较。通常，由于接地引线较长，接地回路产生的开关瞬态比预期的要大。

图13。开关节点(1)，标准示波器探头(3)，50 ω同轴端子(2)。

结论

在设计和优化低噪声、高性能变换器的系统电源时，输出纹波和开关瞬态测量技术是重要的考虑因素。这些测量技术在时域和频域都提供了精确、可重现的结果。在宽频率范围内测量低电平信号时，保持50 ω的环境是很重要的。一个简单的，低成本的方法是使用一个50 ω的同轴电缆，这是正确的端接。该方法可用于广泛的开关稳压器拓扑。

进一步的阅读

本文最初由模拟对话公司发表。访问他们的网站以查看更多的技术文章be paly外围。

参考文献

电源管理

切换监管机构

Limjoco Aldrick。- 1144应用程序。测量开关稳压器的输出纹波和开关瞬态。Analog Devices, Inc.， 2013。(PDF)

应用说明01-08-01,Rev. 01。输出纹波电压测量。SynQor。(PDF)

威廉姆斯,吉姆。70年应用注释。输出噪声为100µV的单片开关稳压器。线性技术,1997年。(PDF)

行业文章是一种内容形式，它允许行业合作伙伴以编辑内容不太适合的方式与All About Circuits阅读器共享有用的新闻、消息和技术。所有的行业文章都受到严格的编辑指导，目的是为读者提供有用的新闻，技术专长，或故事。在行业文章中所表达的观点和意见是合作伙伴的观点，而不一定是所有关于电路或其作者的观点和意见。