如何測試電源供應器的輸出雜訊


1. 前言

目前交換式已取代傳統之串聯式電源供應器,成為大多數電子產品之電源組件,現已經廣泛地使用於桌上型電腦、監視器、列表機、筆記型電腦、傳真機、影印機等設備上,最主要的因素為體積小,重量輕及效率高等多項優點,缺點則為其輸出雜訊較大,本文的目的就是來探討直流交換式電源供應器的輸出雜訊。
1.1.定義
輸出雜訊之定義:此雜訊為一交流成份,附著於直流準位之上,此交流成份包含週期性與隨機性之訊號,英文稱為 PARD (Periodic And Random Deviation),其波形如下圖:


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圖一 ...交換式電源供應器的輸出雜訊波形1.2. 輸出雜訊之控制


由於交換式電源供應器採用高頻切換 (20 KHz 以上) 技術,配合脈波調變 (PWM) 及輸出濾波電路,可以將市電轉換成 IC 電路所需之直流電壓,例如 +5V、+12V、-5V、-12V、+3.3V 等電壓,惟經此種轉換後的副作用是在直流成份中含有少許的交流成份,若此交流成份 (以下稱為雜訊) 過大則會使應用之電路產生誤動作,以 5V 為例若直流中心電壓為 5.00V,雜訊若為 1.0 Vp-p則任何瞬時值的電壓可能已經超過 4.75V - 5.25V 之容許範圍,(此為一般邏輯 IC 正常之工作電壓範圍),因而可能誤動作或當機出現,因此輸出雜訊影響不可謂不小。一般而言,交換式電源供應器之輸出雜訊規格為其輸出直流電壓的1% 以下,例如以 +5V、+12V 為例,其輸出雜訊規格分別為 50m Vp-p 與120m Vp-p.

通常交換式電源供應器於設計時,便需將輸出雜訊控制於一規格內,才算完成,而產品量產時,可能因為零件 (如輸出變壓器、快速二極体、濾波電容器等) 材質規格不同,或誤裝、漏裝,等因素造成出雜訊超過規格,為避免這些情況,於檢測時將交換式電源供應器每個輸出之雜訊列為檢測項目是必須的。



2. 輸出雜訊之檢測

此種檢測設備可用示波器或漣波與雜訊電錶 ,茲分別說明如下:

2.1.示波器

2.1.1.避免地迴路
此設備為最普遍,常用的檢測設備,唯測時應注意下述規範,否則其檢測結果差異甚大。
應使用差動式輸入之示波器,因為一般示波器的輸入 BNC 之負端是與示波器機殼相連通的,而示波器機殼又與輸入電源之接地端連接,若直接用探棒測量輸出端,可能造成地迴路電流,因而影響量測結果,因此應該避免,採用差動式示波器或示波器外加差動放大器是正確的檢測接法,如圖二為 INTEL建議之檢測連接圖,圖三為 HP 建議之檢測連接圖,二者均採用差動式示波器作為檢測設備,HP 的差動式探棒如圖四所示,Tek的 差動式探棒如圖五所示


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圖二....INTEL 建議之 PARD 差動式檢測連接圖 


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圖三.... HP 建議之 PARD 差動式檢測連接圖


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圖四 ....HP 的差動式探棒

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


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圖五 ... Tek 的差動式探棒 (P6046 Active Differential System) 


2.1.2. 測試條件

待測端之傍路電容於測試規範中,應確實說明是否於待測端加入傍路電容器及其材質、容量、數量等,如圖二中 INTEL 即加入 10uf 及0.1uf 電容器以便模擬主機板上的系統電容。這部份並沒有通則要求,而是視需求條件而定,於測試時應說明是否有傍路電容器,如圖 A 及 B 之建議檢測連接圖,否則測試值會有不小差異。

2.1.3. 頻寬2.1.4.輸入阻抗2.2.漣波與雜訊電錶

由於示波器一般僅 2 個 Channel 輸入對於多輸出的電源供應器,觀測其輸出雜訊不方便,同時需用人來操作判別,又其價格不低等缺點,因此使用博計的 4030 具有多輸入(達 4 個 Channel)的漣波雜訊電錶,可一次測量,並做上下限判別,又價格合宜(遠低於示波器)因此是另一個絕佳的檢測設備,4030之功能方塊圖如圖六所示。其主要規格說明如下:

檢測設備示波器的頻寬會影響檢測結果,一般規格為 20MHZ,或30MHZ(INTEL 要求規格),為數位式示波器之取樣速率必須高 PARD頻率 2 倍以上。
一般均為 50 Ω。較低的輸入阻抗(如 50 Ω)可以較高輸入阻抗(如 1MΩ)防止其他訊號之干擾。此部份並無通則要求,但於測試時應說明其輸入阻抗,否則數值會有不小之差異。


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圖六 ... 4030 之功能方塊圖 


2.2.1. 輸入結構:

如同示波器之說明,與待測物之連接必須避免地迴路,因此差動式(Differential) 是必須的,又其輸入阻抗一般為 50Ω,可有效地量取待測物之輸出雜訊。


2.2.2.輸入範圍:

一般直流交換式電源供應器之輸出雜訊規格為其輸出直流電壓的 1﹪,例如一輸出電壓為 5V時,甚輸出雜訊規格為 50mVp-p 以下,一輸出電壓為 12V 時,其輸出雜訊規格為 120mVp-p 以下。博計的 4030具有三種輸入範圍的規格,供訂購前選擇,其分別是 3.0Vp-p,1.5Vp-p,0.75Vp-p。一般之 5V,12V 系統電壓應用時建議選用 0.75Vp-p 之輸入範圍即已足夠,若為 24V,48V 系統電壓時,則可選用 1.5Vp-p 或3.0Vp-p 的規格。

2.2.3. 頻寬:

於博計 4030 漣波與雜訊電錶含有三個頻寬範圍供使用者選擇,其分別是 20Hz~200KHz,20Hz~2MHz及 20Hz~50MHz。其中 20Hz~50MHz 主要供檢測輸出雜訊之用,而 20Hz~200KHz 或 20Hz~2MHz供檢測輸出漣波或動態負載之過激 (Over-shoot) 或低激 (Under-shoot)之用。頻寬範圍 20Hz~50MHz 係指 4030 電錶可以針對輸入信號(雜訊)響應的峰對峰值之頻率範圍而言,一般指於衰減 -3dB(即0.707 倍)時的頻率範圍,例如一輸入訊號 100mVp-p,50MHz 時,4030 漣波與雜訊電錶之輸入訊號頻率為 50MHz 其測數值為 70.7mV以上,即符合頻寬之定義。4030 漣波雜訊電錶典型之頻率響應特性如圖七所示。

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圖七... 4030 漣 波 雜 訊 電 錶 典 型 之 頻 率 響 應 特 性

2.2.4. 電源供應器輸出雜訊之頻譜

電源供應器之輸出雜訊係包含了許多頻率成份(如50Hz,60Hz 漣波開關頻率 )及其雜波等,若輸出雜訊有窄而尖銳的開關晶體ON / OFF時的尖波 (Spike),則包含了大量的高頻諧波成份,觀測頻率成份可用頻譜分析儀 (Spectrum Analyzer) 來分析 ,圖 八、九分別為一典型電源供應器輸出雜訊之波形與頻譜。用 4030 漣波與雜訊電錶來測量雜訊時,選用不同之頻寬其數值便會隨之改變,一般情形下,於高頻寬20Hz~50MHz)之數值會高於低頻寬 (20~2MHz 或 200KHz)之數值。


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圖八 典型電源供應器輸出雜訊之波形 


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圖九 ...典型電源供應器輸出雜訊波形 (如圖八) 之頻譜

2.2.5. 4030 之 PASS/FAIL 判別


4030 內含量測數值上下限比較功能。在每單個 PARD 量測通道,當量測值位於所設定之上下限以內時為 GO 或合格,當量測數值位於所設定之上下限以外時為 NG 或不合格;在全部四個 PARD 量測通道均合格時,此時面板上的 PASS 綠色 LED 顯示器亮起,以表示為通過狀態;在全部四個 PARD 量測通道中有一個通道以上不合格時,此時面板上的 FAIL 紅色 LED 顯示器亮起,以表示為不通過狀態。4030 內每個 PARD 量測通道均有其個別的上下限值,可由操作者分別設定之,其 PASS / FAIL 比較功能方塊圖如圖 十一 所示。

※ 註:4030 顯示面板上在 PASS (合格) 時,綠色 PASS LED 會點亮;在 FAIL (不合格) 時,紅色 FAIL LED 會點亮。


若以邏輯符號表示時結果如下所示: 

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)


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圖十... 4030 之 PASS/FAIL 比較功能方塊圖


2.2.6. 檢測連接 cable 線

4030 隨機附有八條 SMB 高頻電纜線及 16 個 SMB 連接器,供 4030 漣波與雜訊電錶與待測電源供應器之間的連接,其連接方法請參考 4030操作手冊 。博計並備有選購 (Optional) 之 PC 電源供應器用測試治具(Fixture),供操作者可立即連接使用。




3. 結論


3.1. 適用性

4030 漣波與雜訊錶具備四組的雜訊量測電路,可同時對四輸出之電源供應器做雜訊大小檢測之用。若電源供應器之輸出超過四組,則可估用 2 台 4030 來達到 8 組雜訊同時測量。因此可改善示波器輸入通道不足的問題

3.2. 輸入結構

4030/3600A 具備差動式輸入結構,可避免地迴路問題,並具價格低廉及使用方便之優點。可改善示波器每個輸入通道需配置差動式探棒之等高費用又不易使用之缺點。

3.3. 判別性

4030/3600A 具備通過 / 不通過 (PASS/FAIL) 判別能力可改善用示波器觀測判別不易的情況 。 這點非常適合品管及生產線之檢測時使用

3.4. 系統擴充性

4030 具備 RS-232C 及 GPIB 界面,3600A 則具備 RS-232C介面,均能程式控制,以手動操作或電腦控制自動檢測均適宜。