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電源紋波測量這事兒,我踩過的坑比你想象的還多

先講個真事兒。前陣子有個做FPGA板卡的朋友找我,說他們1.2V核電源紋波測出來有180mV,規格書隻允許50mV,板子根本沒法用。他急得差點把整個電源方案推翻重來。我過去一看,好家夥,10X探頭,接地夾子長得能繞板子半圈,帶寬限製也沒開。我讓他換成1X探頭,把那個長接地夾卸了,換上探頭包裏幾乎沒人用的短接地彈簧,再打開20MHz帶寬限製,讀數“唰”一下掉到25mV。他當時表情特別複雜,又高興又覺得自己白折騰了兩周。

這行幹久了你會發現,測紋波這件事,方法不對,結果能差出一個數量級。尤其電源紋波本身也就幾mV到幾十mV,環境裏隨便一點幹擾都比它大,測出來的到底是電源的毛病還是探頭天線收的廣播,真不好說。

電源紋波測量

先搞清楚你在測什麽

紋波就是直流輸出上那個周期性起伏,開關電源的話基本跟開關頻率走,線性電源就是工頻100Hz那點東西。噪聲呢,更隨機一些,高頻毛刺,來自開關瞬態、磁場耦合、負載突然抽風。實際示波器上看,它倆是疊在一起的,蘑菇视频软件通常用峰峰值來評估。

難點就一個——信號太弱,幹擾太強。所以不是示波器不好,是你得把示波器當精密儀器伺候著。

探頭選不對,全白費

很多人習慣隨手拿根10X探頭,因為平時測信號都是10X。但測紋波時10X會把信號先衰減10倍,示波器為了看到那點小信號就得把垂直放大倍數提到極限,結果把自己本底噪聲也放大了。1X探頭雖然帶寬低(一般6~10MHz),但測電源紋波完全夠用,因為開關頻率撐死了也就幾MHz,更高頻的噪聲你反而想濾掉。所以換1X探頭,這是第一步。

然後就是那個被無數人忽略的短接地彈簧。探頭標配裏都有,小小的螺旋彈簧,擰在探頭尖端的地環上。你用它直接戳到電源地平麵,接地回路就隻有幾毫米。而那個長接地夾線,簡直就是個環形天線,你把它往板子上一夾,整個實驗室的電磁噪聲都往你示波器裏灌。我見過有人用長夾子測出80mV,換個彈簧立馬變15mV,同一個板子。


還有兩個示波器設置必須做

一個是帶寬限製,20MHz那檔一定要開。別覺得開限頻是犧牲精度,恰恰相反,電源紋波標準本來就是按20MHz帶寬定義的,你讓更高頻的噪聲進來反而不對。另一個是AC耦合,直流電平幾伏甚至幾十伏,紋波隻有幾毫伏,DC耦合下你根本沒法把垂直檔位打到5mV/格,因為整個波形在屏幕頂端飄著。切到AC耦合,直流分量一濾掉,紋波就能舒舒服服地居中放大。


實際操作我一般這麽幹

把1X探頭接到通道1,檢查示波器通道菜單裏探頭衰減也設成1X。探頭尖頂到電源輸出正端,接地彈簧壓到最近的參考地(注意是電源輸出端的電解電容負極或者陶瓷電容的地焊盤,別隨便找個螺絲孔)。示波器設AC耦合、20MHz限頻,垂直檔位從10mV/格開始調,不行再換5mV/格,水平時基看你的開關頻率,一般1us/格到10us/格都行。

正常波形應該是周期性的、幹淨的、幅度穩定的鋸齒或脈衝狀。如果你看到滿屏亂草,幅度忽大忽小,基本就是接地或屏蔽問題。這時可以用平均采樣模式,在采樣菜單裏選Average,設16次或32次,隨機噪聲會被平滑掉,紋波基波會越來越清晰。但要注意,平均模式隻對周期性信號有效,如果噪聲不是隨機的而是有規律的幹擾,平均也沒用,還得從源頭解決接地。


幾個陰溝裏翻船的場景

有一次我測一個48V通信電源,普通探頭一上去波形就亂成一鍋粥。後來才發現,那個電源是浮地輸出,示波器探頭的地端通過電源線大地和被測電源的地形成了環流,幹擾全耦合進來了。這種隔離電源或者浮地係統,必須用高壓差分探頭,泰克有各種型號,差分的共模抑製比能幹掉地環路幹擾,而且安全,不會因為你誤碰地線把示波器輸入端燒了。

還有一次更邪門,測出來波形總是帶著一個幾MHz的振蕩包絡,查了半天,發現是探頭接地彈簧和電源輸出端的陶瓷電容構成了LC諧振。後來在接地彈簧上串了個幾歐姆的小電阻,阻尼一下,振蕩就沒了。這種小技巧說明書裏不會寫,但實際幹活很有用。

另外測量點也講究。不要在電源模塊的輸出引腳上測,那裏紋波最小,但負載端實際吃到的是經過PCB走線和過孔之後的電壓,紋波會更大。要測就測負載芯片旁邊的去耦電容兩端,那才是真實供電質量。


如果你按上麵這些步驟做了,讀數還是忽高忽低,或者壓根不知道手頭探頭怎麽配置,別硬扛。蘑菇视频软件蘑菇视频软件測試科技做了十八年儀器支持,泰克示波器和探頭的事兒還算熟。你可以直接電話或微信18682985902,工程師會幫你遠程看一眼設置,或者教你怎麽搭臨時夾具。電源紋波測量本來就是個細活兒,很多問題一通電話就能說清楚,別讓錯誤方法耽誤項目進度。


最後補幾個快問快答,都是平時被問爛的:

必須用1X嗎?——強烈推薦,10X信噪比太差,但如果你的示波器本底噪聲極低,10X也能湊合,隻是我沒見過誰真的測得好。

接地彈簧怎麽固定?——焊個小焊點最牢靠,沒條件就用手壓緊,別隻靠探頭尖端接觸,接觸電阻大會引入額外噪聲。

20MHz限頻一直開著嗎?——測量紋波時開,如果還想看高頻噪聲頻譜,可以再關掉另外拍一張圖對比,但標準紋波值必須是20MHz下的。

AC耦合會不會衰減低頻紋波?——泰克示波器AC耦合截止頻率大概在幾Hz,電源紋波至少幾十kHz,完全不受影響。

測紋波這事,說白了就是跟噪聲鬥智鬥勇,多數時候不是電源不好,是蘑菇视频软件自己把天線懟到了屏幕裏。換根探頭,擰個彈簧,按兩個按鍵,可能就全解決了。試試看。

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