電源紋波測量的基本流程-PRBTEK分享

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電源紋波是電源品質的重要指標之一，除了工程師外，普通用戶也會關心紋波的大小。通常在實驗室中示波器被用來測量電源紋波，但是具體操作流程存在隨意性大，可復現性低等問題。接下來普科科技PRBTEK以實測演示對比來描述精通紋波測量需要掌握的技巧和注意要點，幫助用戶實現紋波測量又快又準的目標。

一、電源紋波的概念

隨著集成電路的發展進步，用電設備的電源電壓越來越低。例如目前主流微處理器的供電電壓已經低至1V左右，用于移動設備的LP-DDR系列存儲器，供電電壓最高也不超過1.8V。這些非常接近硅閾值電壓的用電設備，對電源的品質也提出了越來越高的需求。除了電源工程師會關注電源品質外，普通用戶在經受低質量電源困擾之后，也會通過不同手段來關注、改善電源的質量。例如在高保真（Hi-Fi）音響愛好者圈子里，就流傳著 “火電力度大，水電解析力高，雅魯藏布江的水電效果好” 等段子。更不乏為了改善電源質量，花重金購買一根昂貴的電源線材。Hi-Fi愛好者的部分觀點和行為雖然缺乏足夠的科學依據，但也從一個側面可以反映出電源對用電設備的影響是舉足輕重的。

電源品質中，一個比較重要的指標是電源紋波。電源紋波（ripple）通常認為是在直流電源輸出中，疊加在直流分量上的并不需要的交流分量。這些交流分量通常是在交流轉直流過程中，由于電路的局限性無法完全濾除不需要的頻率分量而產生的。值得注意的是，雖然電池產生的電壓在短時間內是固定不變的，并且原理上不存在紋波，但是對于使用電池供電的設備，我們仍然需要關注電源的紋波。一方面，隨著電池容量的消耗，電壓會逐漸降低，為了保證用電設備的輸入電壓恒定，電池的電壓會經過DCDC轉換器進行變換，此時會引入額外的交流分量。另一方面，用電設備對電壓的需求不一致，一款消費級設備就會需要多個不同的電源軌，因此會引入多個電壓轉換器，進而產生不同的交流分量。

二、電源紋波的基本測量

這里以一個常見的Raspberry Pi Pico開發板的電源模塊為例，介紹電源紋波測量的基本流程。

2.1Raspberry Pi Pico電源簡介

Raspberry Pi Pico是一個小巧實用的MCU板子，供電由一顆來自RICHTEK的RT6150B完成，輸出電壓是3.3V，電路如圖1所示。RT6150B是一個Buck-Boost轉換器，因此輸入電壓既可以高于也可以低于3.3V。板子的供電來自USB接口的5V，實現的是降壓轉換。值得注意的是，RT6150B有一個Power Save Mode（PSM）。當芯片的7腳（PS）拉低時，PSM啟用，芯片工作在PFM模式，效率較高，但是紋波也較高。當PS拉高時，PSM禁用，芯片工作在PWM模式，輕載時效率降低，但是紋波也較低。

圖1：Raspberry Pi Pico的供電電路

實際測量時，我們通過軟件控制PS拉低或拉高，從而使供電模式在PFM和PWM之間切換，進而對比二者的差異。測量點位方面，供電輸出處有一顆電容C2，我們可以測量C2兩端的電壓來測量紋波。

2.2示波器設置

探頭：紋波是疊加在電源直流分量上的一個交流電壓分量，因此和普通電壓信號測量比較類似，選擇一個無源電壓探頭即可。如果探頭上可以設置衰減，例如有1X和10X兩個檔位，需要設置到沒有衰減，即1X的檔位上。

探頭接地線：拔掉。沒錯，去掉探頭上所有的接地延長線，包括最常用的接地夾。探頭的接地要使用接地彈簧。接地彈簧是無源探頭的標準配件，可以用最短的路徑就近接入板上的地線。

垂直通道：設置為AC耦合；帶寬限制設置為20 MHz；本著先粗后細的原則，垂直刻度可以先設大一些，例如50mV/div；檢查并確認探頭的衰減正確設為了1X。圖2是一個示波器垂直通道的設置示例。

圖2：示波器垂直通道設置

時間刻度：本著先粗后細的原則，時間刻度可以先設大一些，例如1ms/div，待后續觀察到信號后，再放大查看細節。

觸發系統：由于使用AC耦合，觸發電平可以設為0V，使用邊沿觸發即可。

2.3測量波形

使用上述配置，可以測得輸出電容兩端的交流電壓如圖3和圖4所示。為了方便對比，2張圖的垂直刻度都統一設置為了5mV/div。

我們不難發現，相比PWM模式，PFM模式下，電源的紋波是明顯大的，這和datasheet的描述是一致的。

圖3：PFM模式的紋波

圖4：PWM模式的紋波

具體紋波的數值，可以通過數格子、光標或示波器的自動測量功能獲取。

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