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        工程師國慶“旅行”指北,電源紋波測量有獎之旅走起

        2021-09-30 09:27:49 來源:泰克
        中國北京2021年9月30日 – 中國的72年華誕之際,也恰逢泰克成立75周年,青春中國72變,保持著日新月異的旺盛活力,泰克示波器也經歷“72變”,秉承“為工程師而生“的理念不斷迭代進化。

        1974年的示波器長啥樣?看圖片下方, Model 556是他的名字。2021年的示波器長啥樣?看圖片上方,他也是我們本次電源紋波測量之旅的主角,他是誰呢?

        電源紋波是電源品質的重要指標之一,除了工程師外,普通用戶也會關心紋波的大小。通常在實驗室中示波器被用來測量電源紋波,但是具體操作流程存在隨意性大,可復現性低等問題。本文從基本概念出發,以Raspberry Pi Pico為例,介紹了電源紋波測量的基本流程。本文以實測演示對比來描述精通紋波測量需要掌握的技巧和注意要點,幫助用戶實現紋波測量又快又準的目標。

        電源紋波的概念

        隨著集成電路的發展進步,用電設備的電源電壓越來越低。例如目前主流微處理器的供電電壓已經低至1V左右,用于移動設備的LP-DDR系列存儲器,供電電壓最高也不超過1.8V。這些非常接近硅閾值電壓的用電設備,對電源的品質也提出了越來越高的需求。除了電源工程師會關注電源品質外,普通用戶在經受低質量電源困擾之后,也會通過不同手段來關注、改善電源的質量。例如在高保真(Hi-Fi)音響愛好者圈子里,就流傳著 “火電力度大,水電解析力高,雅魯藏布江的水電效果好” 等段子。更不乏為了改善電源質量,花重金購買一根昂貴的電源線材。Hi-Fi愛好者的部分觀點和行為雖然缺乏足夠的科學依據,但也從一個側面可以反映出電源對用電設備的影響是舉足輕重的。

        電源品質中,一個比較重要的指標是電源紋波。電源紋波(ripple)通常認為是在直流電源輸出中,疊加在直流分量上的并不需要的交流分量。這些交流分量通常是在交流轉直流過程中,由于電路的局限性無法完全濾除不需要的頻率分量而產生的。值得注意的是,雖然電池產生的電壓在短時間內是固定不變的,并且原理上不存在紋波,但是對于使用電池供電的設備,我們仍然需要關注電源的紋波。一方面,隨著電池容量的消耗,電壓會逐漸降低,為了保證用電設備的輸入電壓恒定,電池的電壓會經過DCDC轉換器進行變換,此時會引入額外的交流分量。另一方面,用電設備對電壓的需求不一致,一款消費級設備就會需要多個不同的電源軌,因此會引入多個電壓轉換器,進而產生不同的交流分量。

        電源紋波的基本測量

        這里以一個常見的Raspberry Pi Pico開發板的電源模塊為例,介紹電源紋波測量的基本流程。

        2.1 Raspberry Pi Pico電源簡介

        Raspberry Pi Pico是一個小巧實用的MCU板子,供電由一顆來自RICHTEK的RT6150B完成,輸出電壓是3.3V,電路如圖1所示。RT6150B是一個Buck-Boost轉換器,因此輸入電壓既可以高于也可以低于3.3V。板子的供電來自USB接口的5V,實現的是降壓轉換。值得注意的是,RT6150B有一個Power Save Mode(PSM)。當芯片的7腳(PS)拉低時,PSM啟用,芯片工作在PFM模式,效率較高,但是紋波也較高。當PS拉高時,PSM禁用,芯片工作在PWM模式,輕載時效率降低,但是紋波也較低。

         
        圖1:Raspberry Pi Pico的供電電路
         
        實際測量時,我們通過軟件控制PS拉低或拉高,從而使供電模式在PFM和PWM之間切換,進而對比二者的差異。測量點位方面,供電輸出處有一顆電容C2,我們可以測量C2兩端的電壓來測量紋波。

        2.2 示波器設置
        探頭:紋波是疊加在電源直流分量上的一個交流電壓分量,因此和普通電壓信號測量比較類似,選擇一個無源電壓探頭即可。如果探頭上可以設置衰減,例如有1X和10X兩個檔位,需要設置到沒有衰減,即1X的檔位上。
        探頭接地線:拔掉。沒錯,去掉探頭上所有的接地延長線,包括最常用的接地夾。探頭的接地要使用接地彈簧。接地彈簧是無源探頭的標準配件,可以用最短的路徑就近接入板上的地線。

        垂直通道:設置為AC耦合;帶寬限制設置為20 MHz;本著先粗后細的原則,垂直刻度可以先設大一些,例如50mV/div;檢查并確認探頭的衰減正確設為了1X。圖2是一個示波器垂直通道的設置示例。

        圖2:示波器垂直通道設置
         
        時間刻度:本著先粗后細的原則,時間刻度可以先設大一些,例如1ms/div,待后續觀察到信號后,再放大查看細節。

        觸發系統:由于使用AC耦合,觸發電平可以設為0V,使用邊沿觸發即可。

        2.3 測量波形

        使用上述配置,可以測得輸出電容兩端的交流電壓如圖3和圖4所示。為了方便對比,2張圖的垂直刻度都統一設置為了5mV/div。

        我們不難發現,相比PWM模式,PFM模式下,電源的紋波是明顯大的,這和datasheet的描述是一致的。


        具體紋波的數值,可以通過數格子、光標或示波器的自動測量功能獲取。

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