电源噪声

电器工程 电源 噪音
2022-01-09 17:48:30

什么是好的不错的电源噪音?

让我扩展一下,两种情况,我有一个台式 PSU,我把示波器放在交流耦合中,看看纹波在 20mV 左右。对于一个体面的 PSU,这是一个很好的数字吗?(我在摆弄模拟电路,所以 20mV 的噪声很重要)

第二种情况是我的车载稳压器,我有一个 2V 到 5V 的升压器。我在没有任何负载的情况下查看 5V,我看到了 7mV 纹波(锯)。这是正常的吗?我在那里有所有的去耦帽,所以我的期望会少得多,尤其是在没有像样的负载的情况下。

额外的问题,测量电源噪声的最佳方法是什么?我想尤其是像这样的小电流,除了用探针接触之外,还必须有更多的东西吗?

4个回答

对于什么是“体面的”电源噪声,当然没有单一的答案。这就像问一辆像样的汽车是什么而不告诉我们它是在赛道上行驶还是在乡村土路上行驶。

您提到的值是否合适取决于该电源轨的使用方式。您真正要问的似乎只是从电源的角度来看这些值是否合理。通用台式电源的 20mV 对我来说听起来很合理,板载升压转换器的 7mV 也是如此(事实上,与其中许多相比,这实际上相当不错)。

但是,您的电路可能有不同的意见。如果 5V 电源只是为数字电路供电,那么它比它需要的要干净得多。即使是 100mVpp 的纹波也是可以容忍的。

如果您正在为敏感的模拟电路供电,那么 7mV 可能会很大。在这种情况下,纹波的频率内容也很重要。大多数模拟 IC 都有电源抑制规范。IC 中有有源电子器件,使其运行在某种程度上独立于电源电压。但是,该电子设备只能对某些频率的噪声作出反应。很少指定获得指定电源抑制比的频率要求。将铁氧体磁珠或小片式电感器和陶瓷帽放在模拟部件的电源引线上接地是一种很好的做法。这将衰减噪声的高频,剩余的低频有望在部件可以主动处理和抑制的范围内。

有些部分比其他部分更容易受到这种影响。我第一次使用飞思卡尔多轴加速度计时,输出上有很多噪音。电源噪声实际上似乎被放大到输出端。在电源引线上添加与电容串联的上述片式电感器有助于清理输出信号。

要回答您的最后一个问题,查看电源噪声的正常方法正是您所做的。AC 耦合示波器输入,提高增益,然后查看结果混乱的大小。

我之前设计了一个极低功耗的 PSU,所以让我分享一张我为演示文稿制作的图表,其中概述了各种 PSU 的噪声级差异。该图显示了对数噪声电平作为从 DC 到 50 kHz 频率的函数。我不记得 Y 轴上的刻度是如何偏移的,但你可以从描述中得到它的一般要点:

  • 红色曲线:代表典型数字产品的 3.3v 电源(使用中),我记得它在您的 10 mV 噪声范围内
  • 紫色曲线:典型的壁疣加低噪声 5.6V LDO
  • 蓝色曲线:上面加上另一个5V稳压器
  • 黑色曲线:我的 PSU 设计,噪声约为 1-3 uV

因此,根据您进行的滤波和设计数量,PSU 噪声可能相差 4 个数量级!我认为来自台式 PSU 的 20 mV 非常好且标准(有关示波器探头噪声,请参见下面的警告)。

顺便说一句,普通示波器对于低于 10 mV 的任何工作几乎毫无价值。您还想查看噪声的傅立叶变换(频谱内容)以得出任何有用的结论。当然,如果你看到一些简单的东西,比如大波纹或不稳定,这是一个好的开始,但噪音通常不是那么明显。

专用频谱分析仪是可行的方法,但通常它们用于射频,频率从 100 kHz 到 5 GHz - 例如,如果您正在调试模拟音频放大器,这不是很有趣。一些较旧的型号从 DC 变为 100 kHz。

您还需要通过(普通)示波器探头以外的其他方式将测量点耦合到仪器。您只需通过探头的接地回路就可以轻松添加数十 mV 的噪声。可以使用带有集成接地线的探头,但最好使用 PCB 上的专用同轴连接器和电缆。

各种 PSU 的对数噪声级

我参与设计的大多数开关电源都将额定直流输出的 1% 指定为最大峰峰值纹波;5V 轨为 50mV,12V 轨为 120mV,等等。

线性电源的噪声往往要小得多,因为输出上没有高频开关纹波分量。

具有多个 LC 滤波器级的开关电源轨并不少见,如果需要超低纹波,则为线性稳压器级供电。

纹波测量本身就是一种艺术形式。您必须采取措施不拾取共模噪声。通常,用于测量的示波器设置为降低带宽(20 MHz 很常见),电容器用于消除“外来”HF(保持开关纹波和线路频率分量可见) - 100nF 与 10uF 并联不是闻所未闻。有时,\$50\Omega\$ 电阻器用作负载(与电容器一起),并使用屏蔽同轴电缆连接到示波器。

这些看起来像电源线上的正常噪声水平,但这并不意味着您的模拟信号上有那么多噪声。电源抑制比PSRR是描述有多少电源噪声叠加在信号上的因素,例如在运算放大器数据表中。