如何测试电源供应器的输出杂讯

1. 前言

目前交换式已取代传统之串联式电源供应器，成为大多数电子产品之电源组件，现已经广泛地使用于桌上型电脑、监视器、列表机、笔记型电脑、传真机、影印机等设备上，最主要的因素为体积小，重量轻及效率高等多项优点，缺点则为其输出杂讯较大，本文的目的就是来探讨直流交换式电源供应器的输出杂讯。
1.1. 定义
输出杂讯之定义：此杂讯为一交流成份，附着于直流准位之上，此交流成份包含周期性与随机性之讯号，英文称为 PARD（Periodic And Random Deviation），其波形如下图：

图一 ...交换式电源供应器的输出杂讯波形1.2. 输出杂讯之控制

由于交换式电源供应器采用高频切换 (20 KHz 以上) 技术，配合脉波调变 (PWM) 及输出滤波电路，可以将市电转换成 IC 电路所需之直流电压，例如 +5V、+12V、-5V、-12V、+3.3V 等电压，惟经此种转换后的副作用是在直流成份中含有少许的交流成份，若此交流成份 (以下称为杂讯) 过大则会使应用之电路产生误动作，以 5V 为例若直流中心电压为 5.00V，杂讯若为 1.0 Vp-p则任何瞬时值的电压可能已经超过 4.75V - 5.25V 之容许范围，（此为一般逻辑 IC 正常之工作电压范围），因而可能误动作或当机出现，因此输出杂讯影响不可谓不小。一般而言,交换式电源供应器之输出杂讯规格为其输出直流电压的1% 以下,例如以 +5V、+12V 为例,其输出杂讯规格分别为 50m Vp-p 与120m Vp-p.

通常交换式电源供应器于设计时，便需将输出杂讯控制于一规格内，才算完成，而产品量产时，可能因为零件 (如输出变压器、快速二极体、滤波电容器等) 材质规格不同，或误装、漏装，等因素造成出杂讯超过规格,为避免这些情况，于检测时将交换式电源供应器每个输出之杂讯列为检测项目是必须的。

2. 输出杂讯之检测

此种检测设备可用示波器或涟波与杂讯电表，兹分别说明如下：

2.1. 示波器

2.1.1. 避免地回路

此设备为最普遍，常用的检测设备，唯测时应注意下述规范，否则其检测结果差异甚大。
应使用差动式输入之示波器，因为一般示波器的输入 BNC 之负端是与示波器机壳相连通的，而示波器机壳又与输入电源之接地端连接，若直接用探棒测量输出端，可能造成地回路电流，因而影响量测结果，因此应该避免，采用差动式示波器或示波器外加差动放大器是正确的检测接法，如图二为 INTEL建议之检测连接图，图三为 HP 建议之检测连接图，二者均采用差动式示波器作为检测设备，HP 的差动式探棒如图四所示，Tek的差动式探棒如图五所示

图二....INTEL 建议之 PARD 差动式检测连接图

图三.... HP 建议之 PARD 差动式检测连接图

图四 ....HP 的差动式探棒

（HP 1141A Differential Probe with HP 1142A Power Supply）

图五 ... Tek 的差动式探棒（P6046 Active Differential System）

2.1.2. 测试条件

待测端之傍路电容于测试规范中，应确实说明是否于待测端加入傍路电容器及其材质、容量、数量等，如图二中 INTEL 即加入 10uf 及0.1uf 电容器以便模拟主机板上的系统电容。这部份并没有通则要求，而是视需求条件而定，于测试时应说明是否有傍路电容器，如图 A 及 B 之建议检测连接图，否则测试值会有不小差异。

2.1.3. 频宽2.1.4.输入阻抗2.2.涟波与杂讯电表

由于示波器一般仅 2 个 Channel 输入对于多输出的电源供应器，观测其输出杂讯不方便，同时需用人来操作判别，又其价格不低等缺点，因此使用博计的 4030 具有多输入（达 4 个 Channel）的涟波杂讯电表，可一次测量，并做上下限判别，又价格合宜（远低于示波器）因此是另一个绝佳的检测设备，4030之功能方块图如图六所示。其主要规格说明如下:

检测设备示波器的频宽会影响检测结果，一般规格为 20MHZ，或30MHZ（INTEL 要求规格），为数位式示波器之取样速率必须高 PARD频率 2 倍以上。
一般均为 50 Ω。较低的输入阻抗（如 50 Ω）可以较高输入阻抗（如 1MΩ）防止其他讯号之干扰。此部份并无通则要求，但于测试时应说明其输入阻抗，否则数值会有不小之差异。

图六 ... 4030 之功能方块图

2.2.1. 输入结构：

如同示波器之说明，与待测物之连接必须避免地回路，因此差动式（Differential）是必须的，又其输入阻抗一般为 50Ω，可有效地量取待测物之输出杂讯。

2.2.2. 输入范围：

一般直流交换式电源供应器之输出杂讯规格为其输出直流电压的 1﹪，例如一输出电压为 5V时，甚输出杂讯规格为 50mVp-p 以下，一输出电压为 12V 时，其输出杂讯规格为 120mVp-p 以下。博计的 4030具有三种输入范围的规格，供订购前选择，其分别是 3.0Vp-p，1.5Vp-p,0.75Vp-p。一般之 5V，12V 系统电压应用时建议选用 0.75Vp-p 之输入范围即已足够，若为 24V，48V 系统电压时，则可选用 1.5Vp-p 或3.0Vp-p 的规格。

2.2.3. 频宽：

于博计 4030 涟波与杂讯电表含有三个频宽范围供使用者选择，其分别是 20Hz～200KHz，20Hz～2MHz及 20Hz～50MHz。其中 20Hz～50MHz 主要供检测输出杂讯之用，而 20Hz～200KHz 或 20Hz～2MHz供检测输出涟波或动态负载之过激（Over-shoot）或低激（Under-shoot）之用。频宽范围 20Hz～50MHz 系指 4030 电表可以针对输入信号（杂讯）响应的峰对峰值之频率范围而言，一般指于衰减－3dB（即0.707 倍）时的频率范围，例如一输入讯号 100mVp-p，50MHz 时，4030 涟波与杂讯电表之输入讯号频率为 50MHz 其测数值为 70.7mV以上，即符合频宽之定义。 4030 涟波杂讯电表典型之频率响应特性如图七所示。

图七... 4030 涟波杂讯电表典型之频率响应特性

2.2.4. 电源供应器输出杂讯之频谱

电源供应器之输出杂讯系包含了许多频率成份（如50Hz，60Hz 涟波开关频率）及其杂波等，若输出杂讯有窄而尖锐的开关晶体ON / OFF时的尖波（Spike），则包含了大量的高频谐波成份，观测频率成份可用频谱分析仪 (Spectrum Analyzer) 来分析，图八、九分别为一典型电源供应器输出杂讯之波形与频谱。用 4030 涟波与杂讯电表来测量杂讯时，选用不同之频宽其数值便会随之改变，一般情形下，于高频宽（20Hz～50MHz）之数值会高于低频宽（20～2MHz 或 200KHz）之数值。

图八典型电源供应器输出杂讯之波形

图九 ...典型电源供应器输出杂讯波形（如图八）之频谱

2.2.5. 4030 之 PASS/FAIL 判别

4030 内含量测数值上下限比较功能。在每单个 PARD 量测通道，当量测值位于所设定之上下限以内时为 GO 或合格，当量测数值位于所设定之上下限以外时为 NG 或不合格；在全部四个 PARD 量测通道均合格时，此时面板上的 PASS 绿色 LED 显示器亮起，以表示为通过状态；在全部四个 PARD 量测通道中有一个通道以上不合格时，此时面板上的 FAIL 红色 LED 显示器亮起，以表示为不通过状态。 4030 内每个 PARD 量测通道均有其个别的上下限值，可由操作者分别设定之，其 PASS / FAIL 比较功能方块图如图十一所示。
※ 注：4030 显示面板上在 PASS（合格）时，绿色 PASS LED 会点亮；在 FAIL （不合格）时，红色 FAIL LED 会点亮。

若以逻辑符号表示时结果如下所示：

PASS = （PARD1L ≦ PARD1 ≦ PARD1H） AND（PARD2L ≦ PARD2 ≦ PARD2H）

AND （PARD3L ≦ PARD3 ≦ PARD3H）AND（PARD4L ≦ PARD4 ≦ PARD4H）

FAIL = （PARD1L＞PARD1）OR（PARD1＞PARD1H）OR （PARD2L＞PARD2）

OR（PARD2＞PARD2H）OR （PARD3L＞PARD3）OR（PARD3＞PARD3H）

OR （PARD4L＞PARD4） OR （PARD4＞PARD4H）

图十... 4030 之 PASS / FAIL 比较功能方块图

2.2.6. 检测连接 cable 线

4030 随机附有八条 SMB 高频电缆线及 16 个 SMB 连接器，供 4030 涟波与杂讯电表与待测电源供应器之间的连接，其连接方法请参考 4030操作手册。博计并备有选购（Optional）之 PC 电源供应器用测试治具（Fixture），供操作者可立即连接使用。

3. 结论

3.1. 适用性

4030 涟波与杂讯表具备四组的杂讯量测电路，可同时对四输出之电源供应器做杂讯大小检测之用。若电源供应器之输出超过四组，则可估用 2 台 4030 来达到 8 组杂讯同时测量。因此可改善示波器输入通道不足的问题

3.2. 输入结构

4030/3600A 具备差动式输入结构，可避免地回路问题，并具价格低廉及使用方便之优点。可改善示波器每个输入通道需配置差动式探棒之等高费用又不易使用之缺点。

3.3. 判别性

4030/3600A 具备通过 / 不通过 (PASS/FAIL) 判别能力可改善用示波器观测判别不易的情况。这点非常适合品管及生产线之检测时使用

3.4. 系统扩充性

4030 具备 RS-232C 及 GPIB 界面，3600A 则具备 RS-232C介面，均能程式控制，以手动操作或电脑控制自动检测均适宜。

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