如何测量开关模式电源 (SMPS) 中的噪声

MOSFET 的开关动作产生交替周期，其中电流首先流入电感器，然后电感器放电。这会导致大的 dI/dt 和大的电压尖峰。我们期待这种噪音。问题是 LC 滤波器在防止这些大电压尖峰传输到电路的其余部分方面有多有效。

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就其性质而言，nSMPS 的输出端会有一些开关噪声。毕竟，它们设计用于使用脉冲宽度调制（或脉冲频率调制）信号切换来自较高直流电源的电流，然后使用 2 极 LC 滤波器对其进行滤波。
MOSFET 的开关动作产生交替周期，其中电流首先流入电感器，然后电感器放电。这会导致大的 dI/dt 和大的电压尖峰。我们期待这种噪音。问题是 LC 滤波器在防止这些大电压尖峰传输到电路的其余部分方面有多有效。
SMPS 的典型输出电压将在开关频率处显示纹波。一个重要的指标是当稳压器没有负载时以及当它加载应用中的典型负载电阻时有多少纹波。
测量开关模式电源中的噪声
我近有一个低噪声应用，我想尝试使用成本非常低的 3.3 V SMPS；仅需要 50 mA 的负载电流。我有一个评估板，我将其连接到 5 V 壁式电源并用一个简单的 10× 探头测量输出。我的测量配置如图 1 所示。

图 1.使用 10× 探头测量输出电压轨。

DC 电平在 3.3 V 时刚刚好。凭借我的 Teledyne LeCroy HDO 8108 示波器的 12 位分辨率和大偏移能力，我能够抵消该电压，以便我可以放大纹波噪声并寻找慢速信号直流漂移。图 2 显示了在 10 mV/div 刻度上测得的电压噪声。

图 2.使用10 倍探头在 10 mV/div 的刻度上测得的 SMPS 输出噪声。

切换器的 20 微秒周期（对应于 50 kHz 的切换频率）非常明显。三角形脉冲预计来自电感器电流的充电和放电周期。但是，除了这个预期的特征之外，还有两种类型的高频噪声。平坦区域有 10 mV 的峰峰值噪声，尖锐的尖峰噪声有时会上升到 60 mV 的峰峰值。
高频噪声和尖锐的噪声尖峰令人不安。这没有被 2 极 LC 滤波器过滤掉。如果我使用这个电源，我将如何确保我的电路板在所有这些噪声的情况下仍能保持足够的功能？
然而，事实证明，这种噪声实际上并不是电源输出端的电压噪声。这都是我的探头接收到的射频信号。
区分电压噪声与 RF 拾取
通过 LC 滤波器中的电感器的大 dI/dt 会导致在 SMPS 附近产生大磁场。任何具有低电感路径的环路都会产生磁感应电流，这些电流会产生我们用示波器测量的电压。
我连接到 SMPS 引线的 10× 探头构成了一个环形天线，可以接收这些尖峰信号。您的个想法可能是，10× 探头的不是有一个 9 MΩ 的电阻吗？这不是一个可以防止在环路中感应出任何交流电流的大阻抗吗？
有一个 9 MΩ 电阻器，但也有一个 10 pF 并联电容器，高频电流流经的均衡器电路的一部分。在 100 MHz 时，10 pF 电容器的阻抗仅为 160 Ω，低得惊人。
为了测试其中一些噪声实际上是探头中的 RF 拾取而不是电源轨上的实际噪声的想法，我将一个小型 SMA 连接器焊接到电路板的输出端以减少环形天线面积和对辐射的敏感度领域。此外，我在测量 SMPS 输出电压的探头附近添加了另一个 10× 探头，但第二个探头的与地线短路。这种设置使我能够同时使用 10× 探头测量输出轨、通过 SMA 连接器的输出轨和本地 RF 噪声（由与地线短路的探头拾取）。如图 3 所示。

图 3.使用两个 10× 探头和同轴 1× 连接来测量 SMPS 输出上的电压噪声。

图 4 显示了使用这三种方法测量的噪声。

图 4. SMPS 输出上的测量电压。所有通道均采用相同的 10 mV/div 刻度。

探头衰减影响 SNR
有两个重要的观察结果。首先，1× 同轴电缆的一般噪声水平远低于 10× 探头。这实际上是因为 10× 探针不是 10× 探针，而是 0.1× 探针。它将信号衰减 10 倍，将其幅度降低 20 dB。当我们测量小信号电平时，例如几十毫伏，测得的电压对示波器的放大器噪声很敏感。
大多数示波器都足够智能，可以识别通道上连接了一个 10× 探头。它们会自动调整显示的电压刻度以补偿十倍衰减并显示电压。因此，当示波器以 10 mV/div 刻度显示信号时，它实际上是在放大器上使用 1 mV/div 刻度。我们在看到的几乎 10 mV 峰峰值噪声实际上是示波器放大器上大约 1 mV 峰峰值噪声。
使用 SMA 连接的同轴电缆实际上是一个 1× 探头。该迹线也以 10 mV/div 的刻度显示。在这种情况下，1 mV 峰峰值放大器噪声或多或少包含在迹线的线宽内。  
这表明了一个重要的测量实践：当我们查看低幅度信号（例如电源轨噪声）时，任何 10 倍衰减探头都会将我们的 SNR 降低 20 dB。当每个 dB 都很重要时，不要使用衰减探头。
同轴连接与示波器探头
第二个观察结果是同轴电缆连接中不存在大而尖锐的尖峰，但存在于两个 10× 探头测量中。由于其中一个探头甚至没有接触到轨输出，这强烈表明尖锐尖峰噪声是由 RF 拾取引起的，而不是 SMPS 输出上的电压噪声。
这表明了第二个重要的测量实践：在测量低幅度信号时，使用尽可能靠近同轴电缆连接的测量装置，以减少探头的环路面积及其作为天线的有效性。
如果我们实施这两个测量实践，我们将在 3.3 V 轨中获得 30 mV 的峰峰值纹波噪声。这是 1% 的纹波，对于低成本 SMPS 来说相当不错。此外，高频噪声大大降低，并且短时瞬变（实际上以 RF 拾取噪声而不是轨电压噪声的形式存在）不再显示为切换器输出信号的一部分。
频域中的噪声
只要我在靠近我的电源和信号路径的地方使用地平面，这是一个重要的设计实践，由这个 SMPS 供电的设备和我板上的信号将只看到由 SMPS 产生的 50 kHz 纹波的谐波开关电源。
使用直接同轴、低噪声连接，我测量了来自 SMPS 的电源轨上的噪声频谱。图 5 显示了一个示例。

图 5.电源轨上的噪声频谱。顶部是时变频谱图，超过 10 秒，显示出非常稳定的振幅。在此标度上，0 dBmV 是 1 mV 振幅噪声。

频谱中的峰值是开关频率的 50 kHz 谐波。谐波的幅度约为 10 dBmV，即 3 mV。这远小于时域中测得的 30 mV 峰峰值电压。这是因为纹波噪声的占空比很低。谐波处的短时三角脉冲中没有太多正弦波。大量的高次谐波表明时域波形的奇特形状及其高频成分。
在大约 3 MHz 以上时，所有开关噪声的振幅均低于 10 μV。对于我的应用，这是一个可接受的噪声水平，实际上对于这样一个低成本的 SMPS 来说它是非常低的。
结论
本文讨论了有关开关模式电源实际产生的电压噪声的重要考虑因素，并提出了两种测量实践，可帮助您对开关稳压器的输出轨进行的示波器测量。