電源模塊低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)研究

劉剛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第十研究所，四川成都，610036）

在電子元器件領(lǐng)域，內(nèi)部低頻電噪聲可以作為反映電子元器件質(zhì)量水平和可靠性水平的基本依據(jù)。而電源模塊是電路正常工作的核心，一個(gè)無(wú)其他干擾和噪聲的供電系統(tǒng)對(duì)后端的電路設(shè)計(jì)和選型留有較大的容錯(cuò)率，對(duì)電路長(zhǎng)期穩(wěn)定工作也有重要作用。因此，低頻電噪聲測(cè)試技術(shù)的研究備受關(guān)注。

1 電源模塊的低頻電噪聲的定義

電源模塊的低頻電噪聲中主要是紋波和噪聲。電源模塊紋波是指疊加在輸出直流電上的交流成分，紋波幅值是交流成分的波峰與波谷之間的峰峰值。直流電壓理論上是一個(gè)固定的值，電源模塊內(nèi)部MOS管的通斷造成電容的充放電從而輸出電壓，再經(jīng)過(guò)整流、濾波而得到，其頻率與直流電源中開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率相同[1]。電源模塊噪聲是指開(kāi)關(guān)電源自身產(chǎn)生的一種高頻脈沖串，由發(fā)生在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成。還有一種是外界干擾通過(guò)輻射和電源線進(jìn)入開(kāi)關(guān)電源。噪聲的頻率比開(kāi)關(guān)頻率高的多，噪聲電壓的大小又與開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)?、變壓器的繞制、電路中的寄生參數(shù)、測(cè)試時(shí)外部的電磁環(huán)境以及PCB的布線設(shè)計(jì)有關(guān)。電源模塊紋波與噪聲關(guān)系圖如圖1所示。

圖1 電源模塊紋波與噪聲關(guān)系圖

2 電源模塊低頻電噪聲測(cè)試依據(jù)和方法

電源模塊的低頻電噪聲包含了紋波和噪聲，目前我國(guó)的行標(biāo)SJ20646-97《混合集成電路DC/DC變換器測(cè)試方法》指導(dǎo)了電源模塊的各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)試方法，比如輸出電壓，輸出電流，電壓調(diào)整率，負(fù)載調(diào)整率，負(fù)載階躍響應(yīng)，啟動(dòng)時(shí)間和過(guò)沖以及紋波，但是沒(méi)有明確電源模塊噪聲的測(cè)試方法[2]。

（1）紋波。紋波的測(cè)試方法擬采用SJ20646-97《混合集成電路DC/DC變換器測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)中示波器探頭直測(cè)的方法。紋波一般是電源模塊中的MOS管不停開(kāi)斷，電能從輸入端被轉(zhuǎn)移至輸出端，在輸出端電路中的電容上形成充電和放電的過(guò)程，該過(guò)程造成輸出電壓的波動(dòng)，該波動(dòng)就是電源紋波，其頻率與直流電源中開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)頻率相同。電源模塊開(kāi)關(guān)頻率一般都低于10MHz，因此紋波的頻率一般也是低于10MHz。

（2）噪聲。目前國(guó)內(nèi)暫無(wú)相關(guān)國(guó)軍標(biāo)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電源模塊工作時(shí)輸出的所有噪聲進(jìn)行測(cè)試。本文擬通過(guò)高頻的數(shù)字示波器、低頻的模擬示波器和六位半數(shù)字表等多種儀器摸索電源模塊的噪聲測(cè)試。

（3）測(cè)試原理。根據(jù)查閱文獻(xiàn)和資料所得，目前常用的測(cè)試方法還有：雙絞線法、50Ω同軸電纜測(cè)試。雙絞線法是采用一對(duì)互相絕緣的金屬導(dǎo)線互相膠合的方式來(lái)抵御一部分外界電磁波干擾。雙膠線中的兩根導(dǎo)線電性能完全相同，保持了平衡，可以抵消相互之間的輻射，降低了傳輸過(guò)程中出現(xiàn)的干擾和噪聲，從而達(dá)到測(cè)試的準(zhǔn)確性。為了消除儀器間的干擾，尤其是直流電源和示波器之間的干擾，有時(shí)也采用BNC同軸屏蔽電纜對(duì)儀器進(jìn)行連接。BNC同軸線纜以硬銅線為芯，外包一層絕緣材料，這層絕緣材料用密織的網(wǎng)狀導(dǎo)體環(huán)繞，網(wǎng)外又覆蓋一層保護(hù)性材料。電源的正負(fù)極用BNC線纜連接，外殼接屏蔽層，由于屏蔽層有良好的接地，這樣銅芯線上產(chǎn)生的交流信號(hào)無(wú)法發(fā)射出去，也無(wú)法產(chǎn)生電磁感性，從而降低測(cè)試過(guò)程的干擾。本文采用雙絞線測(cè)試原理，減小測(cè)試過(guò)程中的干擾和噪聲，從而得到更為準(zhǔn)確的結(jié)果。

3 電源模塊低頻電噪聲測(cè)試開(kāi)展

■3.1 測(cè)試器件和儀器選型

3.1.1 被測(cè)件選型

本文驗(yàn)證的器件選用VPT公司生產(chǎn)的DVHF2815D雙路電源模塊，該電源模塊可以在15～50V寬幅輸入，因此可以驗(yàn)證測(cè)試在不同的輸入電壓下該模塊的紋波電壓的動(dòng)態(tài)變化。輸出正端電壓為14.85～15.15V之間，輸出負(fù)端電壓為14.8～15.2V之間變化，輸出的波動(dòng)范圍很小，說(shuō)明該模塊是一個(gè)輸出比較穩(wěn)定的電源模塊，因此選用該模塊可以減小輸出電壓的大幅波動(dòng)使其輸出電壓中的噪聲也跟隨跳動(dòng)的影響。根據(jù)DVHF2815D的Datasheet中的說(shuō)明，該模塊的紋波電壓不高于60mV，在電源模塊中處于比較低的范圍。

3.1.2 電源和負(fù)載選型

因被測(cè)電源模塊的輸入范圍較大，因此我們實(shí)驗(yàn)室常用的艾德克斯的便攜直流電源IT6302就不能滿足要求了，該電源最大的輸出電壓只能到30V。本文最后選用了agilent公司原生產(chǎn)的N6654A可編程直流穩(wěn)壓電源，該電源最大能輸出60V，9A的直流電源，且該電源比較穩(wěn)定，誤差比較小，電壓誤差：0.06%+26mV，電流誤差：0.15%+8mA。比較適合用來(lái)給電源模塊提供輸入[3]。

后端的負(fù)載采用兩種方式。第一種是采用純阻性的大功率電阻，這種負(fù)載沒(méi)有容性和感性的干擾，而容性或感性負(fù)載能產(chǎn)生諧波并疊回在直流源的輸出端，因此純阻性的電阻比較適合做負(fù)載，但由于該模塊是雙路且輸出功率為20W，大功率電阻在持續(xù)加電一分鐘后溫度就會(huì)非常高，不太適合本文的長(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)模式。第二種是采用電子負(fù)載。電子負(fù)載經(jīng)常用在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，可以模擬出范圍比較寬泛的負(fù)載要求。

但為了電子負(fù)載本身的儀器特性造成的噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，本文選用agilent公司原生產(chǎn)的N3300A電子負(fù)載，該電子負(fù)載還需兩路以上才可滿足雙路輸出的電源模塊。N3300A還可以設(shè)定恒流、恒壓、恒阻模式，可以方便的設(shè)置不同模式應(yīng)對(duì)不同的電路。本文的電源模塊低頻電噪聲測(cè)試則適用于恒流模式，將電子負(fù)載設(shè)置為模塊滿載時(shí)的恒定電流，電源模塊就可以穩(wěn)定的輸出，便于噪聲和紋波測(cè)量。

3.1.3 測(cè)試儀器選用

本文的電源模塊低頻電噪聲測(cè)試需要在不同的頻率下進(jìn)行摸索測(cè)試，測(cè)出該模塊的紋波和噪聲。因此選用20MHz的模擬示波器SS-7802，500MHz的數(shù)字示波器N54830A，300kHz的六位半數(shù)字多用表34401A三種儀器分別從不同頻率、不同工具進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。

■3.2 測(cè)試電路搭建

本文驗(yàn)證的器件選用VPT公司生產(chǎn)的DVHF2815D雙路電源模塊，在不同的頻率下進(jìn)行測(cè)試該模塊的紋波和噪聲。因此選用20MHz的模擬示波器SS-7802，500MHz的數(shù)字示波器N54830A，300kHz的六位半數(shù)字多用表34401A三種儀器分別從不同頻率、不同工具進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試。直流電源采用N6654A，電子負(fù)載采用N3300A。

測(cè)試電路根據(jù)圖2所示進(jìn)行搭建。為了降低測(cè)試過(guò)程中的不確定度，采用重復(fù)測(cè)試取多次測(cè)試結(jié)果的平均值作為最后的結(jié)果。再采用SCPI儀器標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言對(duì)儀器進(jìn)行自動(dòng)控制，基于VEE軟件進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試和自動(dòng)保存數(shù)據(jù)。

圖2 測(cè)試電路設(shè)計(jì)

（1）對(duì)直流電源N6654A寫(xiě)入以下命令進(jìn)行控制：①Write“6654A”TEXT“volta”EOL//a=在15V,28V,50V中切換；②Write“6654A”TEXT“outputon”EOL。

（2）對(duì)電子負(fù)載N3300A寫(xiě)入以下命令進(jìn)行控制：①Wr ite“N3300A”TEXT“channelCH1”EOL；②Write“N3300A”TEXT“currentb”EOL//b=0.9A；③Write“N3300A”TEXT“channelCH2”EOL；④Write“N3300A”TEXT“currentc”EOL//c=0.9A；⑤Write“N3300A”TEXT“inputon”EOL。

（3）對(duì)數(shù)字多用表34401A寫(xiě)入以下命令進(jìn)行控制：①Write“34401A”TEXT“inputon”EOL；②Write“34401A”TE XT“MEAS:VOL T:AC”EOL；③Read“34401A”TEXT“d”EOL。

（4）對(duì)示波器N54830寫(xiě)入以下命令進(jìn)行控制：① Write“N54830A”TEXT“Channel1:inputAC”EOL；② Write“N54830A”TEXT“Channel2:inputAC”EOL；③Write“N54830A”TEXT“Measure：vpp?Channel1”EOL；④ Read“N54830A”TEXT”readf”EOL； ⑤ Write“N54830A”TEXT“Measure：vpp?Channel2”EOL；⑥Read“N54830A”TEXT”readg”EOL。

（5）再通過(guò)VEE程序中的數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)記錄模塊對(duì)每次的生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，然后生成TXT文檔。

■3.3 測(cè)試結(jié)果

在室溫25℃的環(huán)境下，在15V、28V、50V不同的輸入下利用不同的測(cè)試儀器進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，采用算數(shù)平均數(shù)來(lái)抵消不確定度誤差。最終的DVHF2815D電源模塊低頻電噪聲測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 不同輸入電壓和不同測(cè)試儀器測(cè)試結(jié)果表

■3.4 測(cè)試結(jié)果分析及結(jié)論

根據(jù)表1測(cè)試結(jié)果，不同帶寬的示波器和數(shù)字表測(cè)試的結(jié)果差距都不大，DVHF2815D的紋波要求值是不高于60mV，測(cè)試結(jié)果都在要求范圍內(nèi)。

使用N54830A示波器的顯示結(jié)果表明，DVHF2815D電源模塊的大部分交流信號(hào)是在10mV左右的紋波，有一些尖刺的噪音疊加在紋波的波峰和波谷上面，是除紋波外的各種內(nèi)外部干擾形成的噪聲。

圖3所示為SS-7802示波器的測(cè)試結(jié)果，圖中可以看到顏色比較深的波形是一個(gè)交流正弦波半波整流后的圖形，因其濾波不充分遺留下的交流成分，正是該電源模塊的紋波；顏色較淺的圖形分布在該波形的每個(gè)波峰和波谷上，而且波形比較雜亂，脈沖的幅度也不規(guī)則，正是電源模塊內(nèi)部的元件、芯片以及電子負(fù)載和直流電源外部造成的干擾等信號(hào)綜合的噪聲。

圖3 模擬示波器SS—7802的測(cè)試結(jié)果

34401 A是利用一個(gè)超低頻的測(cè)試工具來(lái)驗(yàn)證，因DVHF2815D的開(kāi)關(guān)頻率為300～500kHz，而34401A的頻率為300kHz，相比較20MHz和500MHz的示波器而言，34401A的工作范圍更為接近電源模塊的開(kāi)關(guān)頻率，噪聲的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紋波，因此，34401A理論上更能真實(shí)的反應(yīng)出電源模塊本身的紋波。而34401A的測(cè)試結(jié)果也在10mV附近，與兩臺(tái)示波器的結(jié)果較為接近。

因此，本文可得出結(jié)論：電源模塊的低頻電噪聲中，紋波和噪聲是同時(shí)出現(xiàn)的，紋波比較有規(guī)律，噪聲因?yàn)槭嵌喾N干擾信號(hào)疊加，所以比較雜亂；紋波的頻率比噪聲低很多，選用低頻的示波器等測(cè)試儀器，可以很清晰的測(cè)量出電源模塊的紋波；電源模塊的噪聲則比較雜亂，用儀器需要手動(dòng)測(cè)試來(lái)觀察其噪聲。紋波是直流中的交流成分，則可以選用合適容量的電容對(duì)電源模塊輸出端再次濾波，減小紋波的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

目前大部分工程產(chǎn)品的供電都選擇用小型化的電源模塊，小型化的電源模塊中絕大部分都是開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)電源就避免不了有紋波和噪聲的影響，因此電源模塊的紋波和噪聲測(cè)試來(lái)評(píng)估電源模塊的穩(wěn)定和品質(zhì)就顯得很有必要。