電源模塊低頻電噪聲測試技術研究

劉剛

（中國電子科技集團第十研究所，四川成都，610036）

在電子元器件領域，內部低頻電噪聲可以作為反映電子元器件質量水平和可靠性水平的基本依據。而電源模塊是電路正常工作的核心，一個無其他干擾和噪聲的供電系統對后端的電路設計和選型留有較大的容錯率，對電路長期穩定工作也有重要作用。因此，低頻電噪聲測試技術的研究備受關注。

1 電源模塊的低頻電噪聲的定義

電源模塊的低頻電噪聲中主要是紋波和噪聲。電源模塊紋波是指疊加在輸出直流電上的交流成分，紋波幅值是交流成分的波峰與波谷之間的峰峰值。直流電壓理論上是一個固定的值，電源模塊內部MOS管的通斷造成電容的充放電從而輸出電壓，再經過整流、濾波而得到，其頻率與直流電源中開關器件的開關頻率相同[1]。電源模塊噪聲是指開關電源自身產生的一種高頻脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成。還有一種是外界干擾通過輻射和電源線進入開關電源。噪聲的頻率比開關頻率高的多，噪聲電壓的大小又與開關電源的拓撲、變壓器的繞制、電路中的寄生參數、測試時外部的電磁環境以及PCB的布線設計有關。電源模塊紋波與噪聲關系圖如圖1所示。

圖1 電源模塊紋波與噪聲關系圖

2 電源模塊低頻電噪聲測試依據和方法

電源模塊的低頻電噪聲包含了紋波和噪聲，目前我國的行標SJ20646-97《混合集成電路DC/DC變換器測試方法》指導了電源模塊的各項參數的測試方法，比如輸出電壓，輸出電流，電壓調整率，負載調整率，負載階躍響應，啟動時間和過沖以及紋波，但是沒有明確電源模塊噪聲的測試方法[2]。

（1）紋波。紋波的測試方法擬采用SJ20646-97《混合集成電路DC/DC變換器測試方法》標準中示波器探頭直測的方法。紋波一般是電源模塊中的MOS管不停開斷，電能從輸入端被轉移至輸出端，在輸出端電路中的電容上形成充電和放電的過程，該過程造成輸出電壓的波動，該波動就是電源紋波，其頻率與直流電源中開關器件的開關頻率相同。電源模塊開關頻率一般都低于10MHz，因此紋波的頻率一般也是低于10MHz。

（2）噪聲。目前國內暫無相關國軍標和行業標準對電源模塊工作時輸出的所有噪聲進行測試。本文擬通過高頻的數字示波器、低頻的模擬示波器和六位半數字表等多種儀器摸索電源模塊的噪聲測試。

（3）測試原理。根據查閱文獻和資料所得，目前常用的測試方法還有：雙絞線法、50Ω同軸電纜測試。雙絞線法是采用一對互相絕緣的金屬導線互相膠合的方式來抵御一部分外界電磁波干擾。雙膠線中的兩根導線電性能完全相同，保持了平衡，可以抵消相互之間的輻射，降低了傳輸過程中出現的干擾和噪聲，從而達到測試的準確性。為了消除儀器間的干擾，尤其是直流電源和示波器之間的干擾，有時也采用BNC同軸屏蔽電纜對儀器進行連接。BNC同軸線纜以硬銅線為芯，外包一層絕緣材料，這層絕緣材料用密織的網狀導體環繞，網外又覆蓋一層保護性材料。電源的正負極用BNC線纜連接，外殼接屏蔽層，由于屏蔽層有良好的接地，這樣銅芯線上產生的交流信號無法發射出去，也無法產生電磁感性，從而降低測試過程的干擾。本文采用雙絞線測試原理，減小測試過程中的干擾和噪聲，從而得到更為準確的結果。

3 電源模塊低頻電噪聲測試開展

■3.1 測試器件和儀器選型

3.1.1 被測件選型

本文驗證的器件選用VPT公司生產的DVHF2815D雙路電源模塊，該電源模塊可以在15～50V寬幅輸入，因此可以驗證測試在不同的輸入電壓下該模塊的紋波電壓的動態變化。輸出正端電壓為14.85～15.15V之間，輸出負端電壓為14.8～15.2V之間變化，輸出的波動范圍很小，說明該模塊是一個輸出比較穩定的電源模塊，因此選用該模塊可以減小輸出電壓的大幅波動使其輸出電壓中的噪聲也跟隨跳動的影響。根據DVHF2815D的Datasheet中的說明，該模塊的紋波電壓不高于60mV，在電源模塊中處于比較低的范圍。

3.1.2 電源和負載選型

因被測電源模塊的輸入范圍較大，因此我們實驗室常用的艾德克斯的便攜直流電源IT6302就不能滿足要求了，該電源最大的輸出電壓只能到30V。本文最后選用了agilent公司原生產的N6654A可編程直流穩壓電源，該電源最大能輸出60V，9A的直流電源，且該電源比較穩定，誤差比較小，電壓誤差：0.06%+26mV，電流誤差：0.15%+8mA。比較適合用來給電源模塊提供輸入[3]。

后端的負載采用兩種方式。第一種是采用純阻性的大功率電阻，這種負載沒有容性和感性的干擾，而容性或感性負載能產生諧波并疊回在直流源的輸出端，因此純阻性的電阻比較適合做負載，但由于該模塊是雙路且輸出功率為20W，大功率電阻在持續加電一分鐘后溫度就會非常高，不太適合本文的長時間檢測模式。第二種是采用電子負載。電子負載經常用在測試現場，可以模擬出范圍比較寬泛的負載要求。

但為了電子負載本身的儀器特性造成的噪聲對測試結果的影響，本文選用agilent公司原生產的N3300A電子負載，該電子負載還需兩路以上才可滿足雙路輸出的電源模塊。N3300A還可以設定恒流、恒壓、恒阻模式，可以方便的設置不同模式應對不同的電路。本文的電源模塊低頻電噪聲測試則適用于恒流模式，將電子負載設置為模塊滿載時的恒定電流，電源模塊就可以穩定的輸出，便于噪聲和紋波測量。

3.1.3 測試儀器選用

本文的電源模塊低頻電噪聲測試需要在不同的頻率下進行摸索測試，測出該模塊的紋波和噪聲。因此選用20MHz的模擬示波器SS-7802，500MHz的數字示波器N54830A，300kHz的六位半數字多用表34401A三種儀器分別從不同頻率、不同工具進行驗證測試。

■3.2 測試電路搭建

本文驗證的器件選用VPT公司生產的DVHF2815D雙路電源模塊，在不同的頻率下進行測試該模塊的紋波和噪聲。因此選用20MHz的模擬示波器SS-7802，500MHz的數字示波器N54830A，300kHz的六位半數字多用表34401A三種儀器分別從不同頻率、不同工具進行驗證測試。直流電源采用N6654A，電子負載采用N3300A。

測試電路根據圖2所示進行搭建。為了降低測試過程中的不確定度，采用重復測試取多次測試結果的平均值作為最后的結果。再采用SCPI儀器標準語言對儀器進行自動控制，基于VEE軟件進行自動測試和自動保存數據。

圖2 測試電路設計

（1）對直流電源N6654A寫入以下命令進行控制：①Write“6654A”TEXT“volta”EOL//a=在15V,28V,50V中切換；②Write“6654A”TEXT“outputon”EOL。

（2）對電子負載N3300A寫入以下命令進行控制：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）對數字多用表34401A寫入以下命令進行控制：①Write“34401A”TEXT“inputon”EOL；②Write“34401A”TE XT“MEAS:VOL T:AC”EOL；③Read“34401A”TEXT“d”EOL。

（4）對示波器N54830寫入以下命令進行控制：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）再通過VEE程序中的數據采集模塊和數據記錄模塊對每次的生成的數據進行記錄，然后生成TXT文檔。

■3.3 測試結果

在室溫25℃的環境下，在15V、28V、50V不同的輸入下利用不同的測試儀器進行重復試驗，采用算數平均數來抵消不確定度誤差。最終的DVHF2815D電源模塊低頻電噪聲測試結果如表1所示。

表1 不同輸入電壓和不同測試儀器測試結果表

■3.4 測試結果分析及結論

根據表1測試結果，不同帶寬的示波器和數字表測試的結果差距都不大，DVHF2815D的紋波要求值是不高于60mV，測試結果都在要求范圍內。

使用N54830A示波器的顯示結果表明，DVHF2815D電源模塊的大部分交流信號是在10mV左右的紋波，有一些尖刺的噪音疊加在紋波的波峰和波谷上面，是除紋波外的各種內外部干擾形成的噪聲。

圖3所示為SS-7802示波器的測試結果，圖中可以看到顏色比較深的波形是一個交流正弦波半波整流后的圖形，因其濾波不充分遺留下的交流成分，正是該電源模塊的紋波；顏色較淺的圖形分布在該波形的每個波峰和波谷上，而且波形比較雜亂，脈沖的幅度也不規則，正是電源模塊內部的元件、芯片以及電子負載和直流電源外部造成的干擾等信號綜合的噪聲。

圖3 模擬示波器SS—7802的測試結果

34401 A是利用一個超低頻的測試工具來驗證，因DVHF2815D的開關頻率為300～500kHz，而34401A的頻率為300kHz，相比較20MHz和500MHz的示波器而言，34401A的工作范圍更為接近電源模塊的開關頻率，噪聲的頻率遠遠高于紋波，因此，34401A理論上更能真實的反應出電源模塊本身的紋波。而34401A的測試結果也在10mV附近，與兩臺示波器的結果較為接近。

因此，本文可得出結論：電源模塊的低頻電噪聲中，紋波和噪聲是同時出現的，紋波比較有規律，噪聲因為是多種干擾信號疊加，所以比較雜亂；紋波的頻率比噪聲低很多，選用低頻的示波器等測試儀器，可以很清晰的測量出電源模塊的紋波；電源模塊的噪聲則比較雜亂，用儀器需要手動測試來觀察其噪聲。紋波是直流中的交流成分，則可以選用合適容量的電容對電源模塊輸出端再次濾波，減小紋波的影響。

4 結語

目前大部分工程產品的供電都選擇用小型化的電源模塊，小型化的電源模塊中絕大部分都是開關電源，開關電源就避免不了有紋波和噪聲的影響，因此電源模塊的紋波和噪聲測試來評估電源模塊的穩定和品質就顯得很有必要。