了解开关稳压器输出伪像可加快电源设计

最小化开关稳压器的输出纹波和瞬变非常重要，尤其是在为高分辨率ADC等噪声敏感型器件供电时，其中输出纹波可能表现为ADC输出频谱上的明显杂散。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压差稳压器（LDO）取代，从而牺牲开关稳压器的高效率，换取LDO更干净的输出。了解这些伪像将使设计人员能够成功地将开关稳压器集成到更广泛的高性能、噪声敏感型应用中。

本文介绍测量开关稳压器中输出纹波和开关瞬变的有效技术。测量这些伪影需要非常小心，因为设置不良会导致读数不正确，示波器探头的信号和接地引线形成的环路会引入寄生电感。这会增加与快速开关转换相关的瞬变幅度，因此必须保持短连接、良好的技术和宽带宽。此处，ADP2114双通道2 A/单通道4 A同步降压DC-DC转换器用于演示测量输出纹波和开关噪声的技术。该降压稳压器提供高效率，开关频率高达2 MHz。

输出纹波和开关瞬变

输出纹波和开关瞬变取决于稳压器的拓扑结构以及外部元件的值和特性。输出纹波是与稳压器的开关操作相干相关的残余交流输出电压。其基频与稳压器的开关频率相同。开关瞬变是在开关转换期间发生的高频振荡。它们的幅度以最大峰峰值电压表示，由于高度依赖于测试设置，因此难以准确测量。图1显示了输出纹波和开关瞬变的示例。

图1.输出纹波和开关瞬变。

输出纹波考虑因素

稳压器的电感和输出电容是影响输出纹波的主要元件。小电感以较高的电流纹波为代价提供更快的瞬态响应，而大电感以较慢的瞬态响应为代价降低电流纹波。使用具有低有效串联电阻（ESR）的电容器可将输出纹波降至最低。具有 X5R 或 X7R 电介质的陶瓷电容器是一个不错的选择。大电容通常用于降低输出纹波，但输出电容器的尺寸和数量是以成本和PCB面积为代价的。

频域测量

在测量不需要的输出信号伪像时，电源工程师考虑频域很有用，因为这可以更好地了解输出纹波及其谐波在每个相应功率电平下占用哪些离散频率。图2显示了一个示例频谱。此类信息可帮助工程师确定所选的开关稳压器是否适合其宽带RF或高速转换器应用。

要进行频域测量，请在输出电容器上连接一个 50 Ω的同轴电缆探头。信号通过隔直电容，在频谱分析仪的输入端以 50 Ω端接结束。隔直电容可防止直流传递到频谱分析仪，并避免直流负载效应。50 Ω传输环境最大限度地减少了高频反射和驻波。

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。从信号尖端到地的环路应尽可能小，以尽量减少可能影响测量的额外电感。图2显示了频域中的输出纹波和谐波。在额定工作条件下，ADP2114在基频下产生4 mV p-p输出纹波。

图2.使用频谱分析仪绘制频域图。

时域测量

使用示波器探头时，通过消除长接地引线来避免接地环路，因为由信号尖端和长接地引线形成的环路会产生额外的电感和更高的开关瞬变。

测量低电平输出纹波时，请使用 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本底噪声。图3显示了一种次优探测方法。图4显示了使用500 MHz带宽设置测量的结果波形。高频噪声和瞬变是长接地引线形成的环路造成的测量伪影，并非开关稳压器固有的。

图3.接地环路导致输出错误。

图4.开关节点 （1） 和交流耦合输出波形 （2）。

有几种方法可以降低杂散电感。一种方法是从标准示波器探头上取下长接地引线，而是将探头的桶体连接到接地参考。图5显示了尖端和桶法。然而，在这种情况下，尖端连接在稳压器输出的错误点，而不是直接连接到输出电容上。接地引线被移除，但印刷电路板上走线引起的电感仍然存在。图6显示了使用500 MHz带宽设置时产生的波形。高频噪声较小，因为去除了长接地引线。

图5.尖端和桶形方法探测切换器输出的随机点。

图6.开关节点 （1） 和交流耦合输出波形 （2）。

如图7所示，使用接地线圈线直接探测输出电容，可产生接近最佳的输出纹波细节。开关转换处的噪声得到改善，PCB上的走线电感显著降低。但是，低幅度信号轮廓仍然叠加在纹波上，如图8所示。

图7.使用线圈线接地探测输出电容器的尖端和桶形方法。

图8.开关节点 （1） 和交流耦合输出波形 （2）。

最佳方法

探测开关稳压器输出的最佳方法是在 50 Ω的环境中保持 50 Ω同轴电缆，并由示波器的可选 50 Ω输入阻抗端接。放置在稳压器的输出电容和示波器的输入之间放置一个电容，用于阻挡直流流。电缆的另一端可以使用非常短的飞线直接焊接到输出电容上，如图9和图10所示。这在宽带宽上测量极低电平信号时保持了信号完整性。图11显示了使用500 MHz测量带宽在输出电容上探测的尖端和桶形方法和50 Ω同轴方法的比较。

图9.最佳探测方法使用端接 50 Ω同轴电缆。

图 10.最佳探测方法示例。

图 11.开关节点（1）、尖端和桶法（3）和50 Ω同轴法（2）。

技术比较表明，即使在 500 MHz 带宽下，50 Ω环境中的同轴电缆也能提供更准确的结果和更少的噪声。将示波器带宽更改为20 MHz可消除高频噪声，如图12所示。ADP2114在时域中产生3.9 mV p-p的输出纹波，这与频域中采用20 MHz带宽设置时4 mV p-p的测量值密切相关。

图 12.开关节点 （1） 和输出纹波 （2）。

测量开关瞬变

开关瞬变的能量较低，但频率成分高于输出纹波。这发生在开关转换期间，通常被标准化为包括纹波在内的峰峰值。图13显示了在500 MHz带宽内使用具有长接地引线和50 Ω同轴端接的标准示波器探头测量的开关瞬变的比较。通常，由于接地引线较长，接地环路产生的开关瞬变比预期要大。

图 13.开关节点 （1）、标准示波器探头 （3） 和 50 Ω同轴端接 （2）。

结论

在设计和优化低噪声、高性能转换器的系统电源时，必须考虑输出纹波和开关瞬态测量技术。这些测量技术可在时域和频域中提供准确、可重复的结果。在宽频率范围内测量低电平信号时，保持 50 Ω环境非常重要。一种简单、低成本的方法是使用端接正确的 50 Ω同轴电缆。该方法可用于各种开关稳压器拓扑。

审核编辑：郭婷