Jak měřit hluk v napájecích zdrojích …

Ve zdrojích střídavého napájení (SMPS) někdy hluk praskne rychle.

Hodnotil jsem napěťový šum na jednoduchém, levném spínaném napájecím zdroji (SMPS) a téměř jsem spadl do rozšířené proslulosti těchto zdrojů pro hluk.

Výstupní šum ve spínacích regulátorech

Ze své podstaty bude mít nSMPS na svém výstupu určitý spínací šum. Nakonec je navržen tak, aby přepínal proud z vyššího stejnosměrného zdroje pomocí signálu modulovaného šířkou pulzu (nebo pulzně frekvenčně modulovaného) a poté jej filtroval pomocí 2pólového LC filtru.

Spínací akce MOSFET vytváří střídavé periody, ve kterých teče první proud do induktoru a poté je induktor vybit. To způsobí velké napěťové špičky a dI / dt. Očekáváme tento druh hluku. Jde o to, jak efektivní je LC filtr v zabránění přenosu těchto velkých napěťových špiček do zbytku obvodu.

Typické výstupní napětí SMPS bude kolísat ve spínací frekvenci. Důležitým měřítkem je množství zvlnění, když je regulátor nezatížen a poté zatížen zatěžovacím odporem typickým pro danou aplikaci.

Měření hluku ve spínaných zdrojích

Nedávno jsem měl aplikaci s nízkým šumem, kterou jsem chtěl vyzkoušet pomocí velmi nízkých nákladů 3,3 V SMPS; byl vyžadován pouze zatěžovací proud 50 mA. Měl jsem vyhodnocovací desku připojenou k napájení z 5V napájecího zdroje bradavice a měřil výstup jednoduchou 10x sondou. Moje nastavení měření je znázorněno na obrázku 1.

Obrázek 1. Měření lišty výstupního napětí s 10 × sondou.

Úroveň stejnosměrného proudu byla v pořádku při 3,3 V. Díky 12bitovému rozlišení a velkým možnostem kompenzace v mém dalekohledu Teledyne LeCroy HDO 8108 jsem byl schopen kompenzovat toto napětí, abych mohl zesílit zvlnění a hledat pomalý DC drift. Obrázek 2 ukazuje napěťový šum měřený při 10 mV / div.

Obrázek 2. Měřený šum na výstupu SMPS 10 × Sonda při 10 mV / div.

Perioda 20 μs spínače je jasně viditelná, což odpovídá spínací frekvenci 50 kHz. Očekává se, že delta pulzy jsou cykly nabíjení a vybíjení proudu induktoru. Kromě tohoto očekávaného podpisu však existují dva typy vysokofrekvenčního šumu. V plochých oblastech je hluk špička-špička 10 mV a někdy vysoký špičatý hluk stoupající až k špičce 60 mV.

Vysokofrekvenční šum a vysoké šumové špičky byly alarmující. To nebylo filtrováno 2pólovým LC filtrem. Pokud tento zdroj použiji, jak si mohu být jistý, že si moje karta i přes veškerý tento šum zachová správnou funkčnost?

Ukázalo se však, že tento šum ve skutečnosti není šumem napětí na výstupu napájecího zdroje. Byla to jediná věc, kterou RF získal z mého výzkumu.

Oddělte napěťový šum od snímače RF

Velký dI / dt procházející induktorem v LC filtru způsobuje velká magnetická pole generovaná v blízkosti SMPS. Jakákoli smyčka s cestou s nízkou indukčností bude mít magneticky indukované proudy produkující napětí, která měříme s rozsahem.

10 × sonda, kterou připojuji k vodičům SMPS, vytváří smyčkovou anténu, která sbírá tyto hroty. Může to být vaše první myšlenka, ale na konci sondy 10 × není odpor 9 MΩ? Není to velká impedance, která zabrání indukování střídavých proudů ve smyčce?

Na konci je odpor 9 MΩ, ale je zde také obtokový kondenzátor 10 pF, který je součástí kompenzačního obvodu, kterým protékají vysokofrekvenční proudy. Při 100 MHz má kondenzátor 10 pF pouze 160 impedanci, což je překvapivě nízká.

Abych otestoval myšlenku, že část tohoto šumu není skutečný hluk na elektrickém vedení, ale vysokofrekvenční snímač na sondě, připájel jsem malý SMA konektor k výstupu desky, abych zmenšil plochu smyčkové antény. a citlivost na záření. pole. Přidal jsem také další sondu vedle 10 × sondy, která měří výstupní napětí SMPS, ale s touto druhou sondou se špička zkratovala na zemnící vodič. Toto nastavení mi umožnilo současně měřit výstupní lištu se sondou 10 ×, výstupní lištu pomocí konektoru SMA a místní RF šum (detekovaný sondou s hrotem zařezaným do uzemňovacího vodiče). To je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3. Použití dvou 10 × sond a 1 × koaxiálního připojení k měření napěťového šumu na výstupu SMPS.

Obrázek 4 ukazuje hluk měřený pomocí těchto tří metod.

Obrázek 4. Napětí měřené na výstupu SMPS. Všechny kanály jsou na stejné stupnici 10 mV / div.

Útlum sondy ovlivňuje SNR

Existují dvě důležitá pozorování. Za prvé, celková hladina hluku v 1 × koaxiálním kabelu je mnohem nižší než v 10 × sondách. Je to proto, že 10x sonda není 10x sonda, je to 0,1x sonda. Tlumí signál 10krát a snižuje jeho amplitudu o 20 dB. Když měříme úrovně signálu tak malé jako desítky milivoltů, je měřené napětí citlivé na hluk ze zesilovače osciloskopu.

Většina rozsahů je dostatečně chytrá na to, aby rozpoznala, že k potrubí jsou připojeny 10 × sondy. Automaticky upravuje zobrazenou stupnici napětí a zobrazuje koncové napětí, aby desetkrát kompenzoval útlum. Když tedy osciloskop zobrazuje signál na stupnici 10 mV / div, ve skutečnosti používáte na zesilovači stupnici 1 mV / div. To, co vidíme jako téměř 10mV špička-špička na okraji, je ve skutečnosti asi 1mV špička-špička v prodlužovači rozsahu.

Koaxiální kabel využívající připojení SMA je efektivní 1x sonda. Tato stopa je také zobrazena na stupnici 10 mV / div. V tomto případě leží šum zesilovače 1 mV mezi špičkami víceméně v šířce stopové čáry.

To naznačuje důležitou nejlepší praxi měření: Jakákoli 10 × sonda útlumu snižuje naši SNR o 20 dB, když pozorujeme signály s nízkou amplitudou, jako je šum napájecího vedení. Pokud se počítá každý dB, nepoužívejte útlumovou sondu.

Koaxiální připojení atd. výzkum rozsahu

Druhým pozorováním je, že velké, ostré konce chybí v koaxiálním spojení, ale jsou přítomny v obou měřeních z 10 × sondy. Jelikož se jedna ze sond nedotýká ani vývodu kolejnice, je to silná indikace, že ostrý šum z hrotu pochází z RF snímání a ne hluk napětí na výstupu SMPS.

To naznačuje druhou důležitou nejlepší aplikaci pro měření: Při měření signálů s nízkou amplitudou použijte nastavení měření co nejblíže koaxiálnímu připojení, abyste snížili plochu smyčky sondy a její účinnost jako antény.

Pokud použijeme tyto dva nejlepší postupy měření, měli bychom 30mV špičkový zvlnění od kolejnice 3,3V. Jedná se o zvlnění 1%, což je docela dobré pro nízkonákladový SMPS. Vysokofrekvenční šum je také značně snížen a krátkodobé přechodové jevy, které jsou ve skutečnosti přítomny jako vysokofrekvenční spouštěcí šum, ale žádný hluk napětí na železnici, již nejsou reprezentovány jako součást výstupního signálu. změna.

Hluk ve frekvenční doméně

Pokud používám zemní rovinu blízko napájecí a signální cesty, což je důležitá konstrukční praxe, zařízení napájená tímto SMPS a signály na mé kartě uvidí pouze harmonické fluktuace 50 kHz generované SMPS.

Pomocí nízkošumového přímého koaxiálního spojení jsem změřil spektrum šumu na napájecí liště od SMPS. Příklad je znázorněn na obrázku 5.

Obrázek 5. Spektrum Od hluku v hnacím ústrojí. Horní díl Jedná se o proměnnou spektrogramu po dobu 10 sekund, která vykazuje velmi konstantní amplitudy. V této stupnici je 0 dBmV 1 mV amplitudový šum.

Vrcholy ve spektru jsou 50 kHz harmonické spínací frekvence. Amplituda první harmonické je přibližně 10 dBmV, tj. 3 mV. To je mnohem méně než 30 mV špičkové napětí měřené v časové doméně. Je to proto, že zvlnění má tak nízký pracovní cyklus. V krátkých pulzech trojúhelníku v první harmonické není mnoho sinusových vln. Četné vyšší harmonické hodnoty svědčí o podivném tvaru a vysokofrekvenčním obsahu křivky časové domény.

Veškerý šum spínání je nižší než 10 μV nad přibližně 3 MHz. Pro mou aplikaci je to přijatelná hladina hluku a ve skutečnosti příliš nízká pro nízkonákladový SMPS.

výsledek

Tento článek se ve skutečnosti zabýval důležitými aspekty šumu napětí generovaného spínaným napájecím zdrojem a představil osvědčené postupy měření, které vám pomohou provádět přesná měření vzdálenosti výstupní lišty regulátoru napětí. komutace