电源模块低频电噪声测试技术研究

2022-01-20刘刚

电子制作 2021年24期

刘刚

（中国电子科技集团第十研究所，四川成都，610036）

在电子元器件领域，内部低频电噪声可以作为反映电子元器件质量水平和可靠性水平的基本依据。而电源模块是电路正常工作的核心，一个无其他干扰和噪声的供电系统对后端的电路设计和选型留有较大的容错率，对电路长期稳定工作也有重要作用。因此，低频电噪声测试技术的研究备受关注。

1 电源模块的低频电噪声的定义

电源模块的低频电噪声中主要是纹波和噪声。电源模块纹波是指叠加在输出直流电上的交流成分，纹波幅值是交流成分的波峰与波谷之间的峰峰值。直流电压理论上是一个固定的值，电源模块内部MOS管的通断造成电容的充放电从而输出电压，再经过整流、滤波而得到，其频率与直流电源中开关器件的开关频率相同[1]。电源模块噪声是指开关电源自身产生的一种高频脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成。还有一种是外界干扰通过辐射和电源线进入开关电源。噪声的频率比开关频率高的多，噪声电压的大小又与开关电源的拓扑、变压器的绕制、电路中的寄生参数、测试时外部的电磁环境以及PCB的布线设计有关。电源模块纹波与噪声关系图如图1所示。

图1 电源模块纹波与噪声关系图

2 电源模块低频电噪声测试依据和方法

电源模块的低频电噪声包含了纹波和噪声，目前我国的行标SJ20646-97《混合集成电路DC/DC变换器测试方法》指导了电源模块的各项参数的测试方法，比如输出电压，输出电流，电压调整率，负载调整率，负载阶跃响应，启动时间和过冲以及纹波，但是没有明确电源模块噪声的测试方法[2]。

（1）纹波。纹波的测试方法拟采用SJ20646-97《混合集成电路DC/DC变换器测试方法》标准中示波器探头直测的方法。纹波一般是电源模块中的MOS管不停开断，电能从输入端被转移至输出端，在输出端电路中的电容上形成充电和放电的过程，该过程造成输出电压的波动，该波动就是电源纹波，其频率与直流电源中开关器件的开关频率相同。电源模块开关频率一般都低于10MHz，因此纹波的频率一般也是低于10MHz。

（2）噪声。目前国内暂无相关国军标和行业标准对电源模块工作时输出的所有噪声进行测试。本文拟通过高频的数字示波器、低频的模拟示波器和六位半数字表等多种仪器摸索电源模块的噪声测试。

（3）测试原理。根据查阅文献和资料所得，目前常用的测试方法还有：双绞线法、50Ω同轴电缆测试。双绞线法是采用一对互相绝缘的金属导线互相胶合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰。双胶线中的两根导线电性能完全相同，保持了平衡，可以抵消相互之间的辐射，降低了传输过程中出现的干扰和噪声，从而达到测试的准确性。为了消除仪器间的干扰，尤其是直流电源和示波器之间的干扰，有时也采用BNC同轴屏蔽电缆对仪器进行连接。BNC同轴线缆以硬铜线为芯，外包一层绝缘材料，这层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网外又覆盖一层保护性材料。电源的正负极用BNC线缆连接，外壳接屏蔽层，由于屏蔽层有良好的接地，这样铜芯线上产生的交流信号无法发射出去，也无法产生电磁感性，从而降低测试过程的干扰。本文采用双绞线测试原理，减小测试过程中的干扰和噪声，从而得到更为准确的结果。

3 电源模块低频电噪声测试开展

■3.1 测试器件和仪器选型

3.1.1 被测件选型

本文验证的器件选用VPT公司生产的DVHF2815D双路电源模块，该电源模块可以在15～50V宽幅输入，因此可以验证测试在不同的输入电压下该模块的纹波电压的动态变化。输出正端电压为14.85～15.15V之间，输出负端电压为14.8～15.2V之间变化，输出的波动范围很小，说明该模块是一个输出比较稳定的电源模块，因此选用该模块可以减小输出电压的大幅波动使其输出电压中的噪声也跟随跳动的影响。根据DVHF2815D的Datasheet中的说明，该模块的纹波电压不高于60mV，在电源模块中处于比较低的范围。

3.1.2 电源和负载选型

因被测电源模块的输入范围较大，因此我们实验室常用的艾德克斯的便携直流电源IT6302就不能满足要求了，该电源最大的输出电压只能到30V。本文最后选用了agilent公司原生产的N6654A可编程直流稳压电源，该电源最大能输出60V，9A的直流电源，且该电源比较稳定，误差比较小，电压误差：0.06%+26mV，电流误差：0.15%+8mA。比较适合用来给电源模块提供输入[3]。

后端的负载采用两种方式。第一种是采用纯阻性的大功率电阻，这种负载没有容性和感性的干扰，而容性或感性负载能产生谐波并叠回在直流源的输出端，因此纯阻性的电阻比较适合做负载，但由于该模块是双路且输出功率为20W，大功率电阻在持续加电一分钟后温度就会非常高，不太适合本文的长时间检测模式。第二种是采用电子负载。电子负载经常用在测试现场，可以模拟出范围比较宽泛的负载要求。

但为了电子负载本身的仪器特性造成的噪声对测试结果的影响，本文选用agilent公司原生产的N3300A电子负载，该电子负载还需两路以上才可满足双路输出的电源模块。N3300A还可以设定恒流、恒压、恒阻模式，可以方便的设置不同模式应对不同的电路。本文的电源模块低频电噪声测试则适用于恒流模式，将电子负载设置为模块满载时的恒定电流，电源模块就可以稳定的输出，便于噪声和纹波测量。

3.1.3 测试仪器选用

本文的电源模块低频电噪声测试需要在不同的频率下进行摸索测试，测出该模块的纹波和噪声。因此选用20MHz的模拟示波器SS-7802，500MHz的数字示波器N54830A，300kHz的六位半数字多用表34401A三种仪器分别从不同频率、不同工具进行验证测试。

■3.2 测试电路搭建

本文验证的器件选用VPT公司生产的DVHF2815D双路电源模块，在不同的频率下进行测试该模块的纹波和噪声。因此选用20MHz的模拟示波器SS-7802，500MHz的数字示波器N54830A，300kHz的六位半数字多用表34401A三种仪器分别从不同频率、不同工具进行验证测试。直流电源采用N6654A，电子负载采用N3300A。

测试电路根据图2所示进行搭建。为了降低测试过程中的不确定度，采用重复测试取多次测试结果的平均值作为最后的结果。再采用SCPI仪器标准语言对仪器进行自动控制，基于VEE软件进行自动测试和自动保存数据。

图2 测试电路设计

（1）对直流电源N6654A写入以下命令进行控制：①Write“6654A”TEXT“volta”EOL//a=在15V,28V,50V中切换；②Write“6654A”TEXT“outputon”EOL。

（2）对电子负载N3300A写入以下命令进行控制：①Wr ite“N3300A”TEXT“channelCH1”EOL；②Write“N3300A”TEXT“currentb”EOL//b=0.9A；③Write“N3300A”TEXT“channelCH2”EOL；④Write“N3300A”TEXT“currentc”EOL//c=0.9A；⑤Write“N3300A”TEXT“inputon”EOL。

（3）对数字多用表34401A写入以下命令进行控制：①Write“34401A”TEXT“inputon”EOL；②Write“34401A”TE XT“MEAS:VOL T:AC”EOL；③Read“34401A”TEXT“d”EOL。

（4）对示波器N54830写入以下命令进行控制：① Write“N54830A”TEXT“Channel1:inputAC”EOL；② Write“N54830A”TEXT“Channel2:inputAC”EOL；③Write“N54830A”TEXT“Measure：vpp?Channel1”EOL；④ Read“N54830A”TEXT”readf”EOL； ⑤ Write“N54830A”TEXT“Measure：vpp?Channel2”EOL；⑥Read“N54830A”TEXT”readg”EOL。

（5）再通过VEE程序中的数据采集模块和数据记录模块对每次的生成的数据进行记录，然后生成TXT文档。

■3.3 测试结果

在室温25℃的环境下，在15V、28V、50V不同的输入下利用不同的测试仪器进行重复试验，采用算数平均数来抵消不确定度误差。最终的DVHF2815D电源模块低频电噪声测试结果如表1所示。

表1 不同输入电压和不同测试仪器测试结果表

■3.4 测试结果分析及结论

根据表1测试结果，不同带宽的示波器和数字表测试的结果差距都不大，DVHF2815D的纹波要求值是不高于60mV，测试结果都在要求范围内。

使用N54830A示波器的显示结果表明，DVHF2815D电源模块的大部分交流信号是在10mV左右的纹波，有一些尖刺的噪音叠加在纹波的波峰和波谷上面，是除纹波外的各种内外部干扰形成的噪声。

图3所示为SS-7802示波器的测试结果，图中可以看到颜色比较深的波形是一个交流正弦波半波整流后的图形，因其滤波不充分遗留下的交流成分，正是该电源模块的纹波；颜色较浅的图形分布在该波形的每个波峰和波谷上，而且波形比较杂乱，脉冲的幅度也不规则，正是电源模块内部的元件、芯片以及电子负载和直流电源外部造成的干扰等信号综合的噪声。

图3 模拟示波器SS—7802的测试结果

34401 A是利用一个超低频的测试工具来验证，因DVHF2815D的开关频率为300～500kHz，而34401A的频率为300kHz，相比较20MHz和500MHz的示波器而言，34401A的工作范围更为接近电源模块的开关频率，噪声的频率远远高于纹波，因此，34401A理论上更能真实的反应出电源模块本身的纹波。而34401A的测试结果也在10mV附近，与两台示波器的结果较为接近。

因此，本文可得出结论：电源模块的低频电噪声中，纹波和噪声是同时出现的，纹波比较有规律，噪声因为是多种干扰信号叠加，所以比较杂乱；纹波的频率比噪声低很多，选用低频的示波器等测试仪器，可以很清晰的测量出电源模块的纹波；电源模块的噪声则比较杂乱，用仪器需要手动测试来观察其噪声。纹波是直流中的交流成分，则可以选用合适容量的电容对电源模块输出端再次滤波，减小纹波的影响。