对于一个电源工程师来说,在他初入江湖时,电源纹波测试是他新手期必不可少的一个业务。导师通常会手把手教他测试方法,有的导师甚至会为他阐述原理,让他知其然,更知其所以然。说到这里想感慨几句,导师的爱,是冰冷公司所少有的温馨瞬间,不为名、不为利,在相互倾轧的职场丛林是非常难得的。
那么,为什么要进行纹波测试,那么多电源,那么大工作量,枯燥无味,能不能不测啊?
背景
电源纹波是电源所固有的,是叠加在直流输出上的交流信号,一跳一跳的,像是电源的心跳一样。但它更是照妖镜,是评估电源质量的重要手段。因电源问题导致的产品故障案例比比皆是,不胜枚举。这其中任何一个故障事件都可能让新手期的你吃不了兜着走。
以前古早的电路电源,其输出电压是5V或3.3V,假如有100mV的纹波,可接受,没问题。但当今的电路,以手机为例,其最小的供电电源甚至低到了0.5V,哪怕几十毫伏的纹波都很危险,严重影响稳定性。因此小电压、大电流的电源设计越来越成为挑战,纹波的测试也越来越重要。
此外,由于产品集成的模块越来越多,以手机为例,里面的平台、马达、LCM、CCM、DDR、UFS、传感器、音频、射频等模块都不是省油的灯。塞进来的东西越多,客观上更容易产生耦合(A影响B,B影响C等等),纹波会更容易耦合到信号链中,导致信噪比(SNR)下降、测量精度变差、通信质量恶化等现象。
此外,长期在较大纹波下工作的电子元件会发热严重,从而加速老化,缩短整个产品的使用寿命。就像年轻人在高压下天天熬夜加班,被资本家的罪恶业火所榨干,在水泥森林中被抽取灵魂。
综上,很多行业、很多公司都会制定较为完备的电源纹波测试规范,对电源纹波进行系统性的测试。
通常的纹波要求是输出电压的+/-5%,有的甚至要求+/-2.5%。
如何测量纹波
1、打开带宽限制,限制示波器带宽为20MHz,避免高频噪声影响纹波测量。因为你要测试的是纹波,而非噪声,纹波是电源闭环反馈过程中,电源的开关动作导致的,电源开关频率通常远小于20MHz,因此限制示波器带宽为20MHz。
打开带宽限制,就像给示波器上了一套滤镜,只让主角-纹波上场,把龙套-噪声赶下台。


2、耦合方式选择为交流耦合,以便去掉直流电平,以更小的垂直档位(mV级)来仔细观测交流纹波,不关心直流电平。

3、不要使用鳄鱼夹接地,而是使用接地弹簧。如果没有弹簧,可以自制接地线缠绕在探头地壳上。

4、评估探头种类的影响,若探头为*10探头,其先缩小再放大的架构会降低信噪比,因为底噪也会被放大,看起来有点糊。所以*1探头要好于*10探头,50欧姆同轴线缆+隔直电容所做成的探头又好于*1探头。但根据实践经验来看,*10探头在手机电源测试中完全够用,*10探头也是最为方便获取的。

5、必要时可以打开示波器的无限余辉功能,有助于解决时基设置不当,或人眼疲劳,导致抓不到电路最大的纹波。
如果异常波形是偶发或者瞬态的信号,虽然示波器已经捕获并显示出来了,但人眼可能来不及观察,屏幕就刷新了。或者人不可能一直死死盯着屏幕,这就有可能错过故障信号,这时候可以采用余辉显示模式。
余辉模式其实就是信号的长时间的叠加显示,即存在历史效应。在余辉模式下,当新的波形到来时,原有的波形不会被抹掉,因此可以观察到曾经在屏幕上出现过的各种波形的情况。这样即使人去睡大觉,波形的异常也会被记录下来。
手机电源纹波实测
下面两张图是某手机电源纹波的实测,其实包含了很多信息,专业人士能通过纹波揣测出很多东西。

