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開關調節器的輸出紋波和開關瞬變

編輯部 | 2014/11/21 8:49:30

開關調節器的輸出紋波和開關瞬變
最大程度降低開關調節器的輸出紋波和瞬變十分重要,尤其是為高分辨率ADC之類噪聲敏感型器件供電時,輸出紋波在ADC輸出頻譜上將表現為獨特的雜散。為避免降低信噪比(SNR)和無雜散動態范圍(SFDR)性能,開關調節器通常以低壓差調節器(LDO)代替,犧牲開關調節器的高效率,換取更干凈的LDO輸出。了解這些偽像可讓設計人員成功將開關調節器集成到更多的高性能、噪聲敏感型應用中。
本文介紹測量開關調節器中的輸出紋波和開關瞬變的有效方法。對這些參數的測量要求非常仔細,因為糟糕的設置可能會導致讀數錯誤,示波器探針信號和接地引線形成的環路會導致產生寄生電感。這樣會增加與快速開關瞬變有關的瞬變幅度,因此必須保持較短的連接、有效的方法以及寬帶寬性能。此處,采用ADP2114雙通道2 A/單通道4 A同步降壓DC-DC轉換器,演示測量輸出紋波和開關噪聲的方法。這款降壓調節器具有高效率,開關頻率最高可達2 MHz。
輸出紋波和開關瞬變
輸出紋波和開關瞬變取決于調節器拓撲以及外部元器件的數值與特性。輸出紋波是殘余交流輸出電壓,與調節器的開關操作密切相關。其基頻與調節器的開關頻率相同。開關瞬變是在開關轉換過程中發生的高頻振蕩。它們的幅度以最大峰峰值電壓表示,該值很難精確測量,因為它與測試設置高度相關。圖1顯示輸出紋波和開關瞬變示例。
輸出紋波考慮因素
調節器的電感和輸出電容是影響輸出紋波的主要元件。較小的電感會產生更快的瞬變響應,但代價是電流紋波更大;而較大的電感會讓電流紋波更小,相應的代價就是瞬變響應較慢。采用低有效串聯電阻(ESR)的電容可最大程度減少輸出紋波。帶電介質X5R或X7R的陶瓷電容是一個不錯的選擇。通常使用大電容來降低輸出紋波,但輸出電容的尺寸和個數卻是以犧牲成本和PCB面積得來的。
頻域測量
對電源工程師而言,測量不需要的輸出信號時,考慮頻率域是非常有用的,它能提供一種更好的視角,了解輸出紋波及其諧波位于哪些離散頻率,以及各自對應哪些不同的功率水平。圖2顯示的是一個頻譜的例子。這類信息可幫助工程師確定所選開關調節器是否適合其寬帶RF或高速轉換器應用。
若要進行頻率域測量,可在輸出電容兩端連接一個50Ω同軸電纜探針。信號通過隔直電容,終止于頻譜分析儀輸入端的50Ω端接電阻。隔直電容可阻止直流電流穿過頻譜分析儀,避免直流負載效應。50Ω傳輸環境可以最大限度減少高頻反射和駐波。 
輸出電容是輸出紋波的主要來源,因此測量點應該盡可能靠近。從信號尖端到接地點的環路應該盡可能比較小,以便盡量減少可能影響測量結果的額外電感。圖2顯示頻域的輸出紋波和諧波。ADP2114在指定工作條件下,于基頻處產生4 mV p-p輸出紋波。
時域測量
采用示波器探針時,不用長接地引線可避免形成接地環路,因為信號尖端和長接地引線形成的環路會產生額外電感和較高的開關瞬變。 
測量低電平輸出紋波時,使用1×無源探針或50Ω同軸電纜,而非10×示波器探針,因為10×探針會使信號衰減10倍,從而使低電平信號降為示波器本底噪聲。圖3顯示的是次優探測方法。圖4顯示采用500MHz帶寬設置時的波形測量結果。高頻噪聲和瞬變屬于長接地引線形成的環路所造成的測量假信號,并非開關調節器所固有。

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