中國(guó)北京2021年9月30日 – 中國(guó)的72年華誕之際，也恰逢泰克成立75周年，青春中國(guó)72變，保持著日新月異的旺盛活力，泰克示波器也經(jīng)歷“72變”，秉承“為工程師而生“的理念不斷迭代進(jìn)化。
1974年的示波器長(zhǎng)啥樣？看圖片下方， Model 556是他的名字。2021年的示波器長(zhǎng)啥樣？看圖片上方，他也是我們本次電源紋波測(cè)量之旅的主角，他是誰呢？
電源紋波是電源品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，除了工程師外，普通用戶也會(huì)關(guān)心紋波的大小。通常在實(shí)驗(yàn)室中示波器被用來測(cè)量電源紋波，但是具體操作流程存在隨意性大，可復(fù)現(xiàn)性低等問題。本文從基本概念出發(fā)，以Raspberry Pi Pico為例，介紹了電源紋波測(cè)量的基本流程。本文以實(shí)測(cè)演示對(duì)比來描述精通紋波測(cè)量需要掌握的技巧和注意要點(diǎn)，幫助用戶實(shí)現(xiàn)紋波測(cè)量又快又準(zhǔn)的目標(biāo)。
電源紋波的概念
隨著集成電路的發(fā)展進(jìn)步，用電設(shè)備的電源電壓越來越低。例如目前主流微處理器的供電電壓已經(jīng)低至1V左右，用于移動(dòng)設(shè)備的LP-DDR系列存儲(chǔ)器，供電電壓最高也不超過1.8V。這些非常接近硅閾值電壓的用電設(shè)備，對(duì)電源的品質(zhì)也提出了越來越高的需求。除了電源工程師會(huì)關(guān)注電源品質(zhì)外，普通用戶在經(jīng)受低質(zhì)量電源困擾之后，也會(huì)通過不同手段來關(guān)注、改善電源的質(zhì)量。例如在高保真（Hi-Fi）音響愛好者圈子里，就流傳著 “火電力度大，水電解析力高，雅魯藏布江的水電效果好” 等段子。更不乏為了改善電源質(zhì)量，花重金購(gòu)買一根昂貴的電源線材。Hi-Fi愛好者的部分觀點(diǎn)和行為雖然缺乏足夠的科學(xué)依據(jù)，但也從一個(gè)側(cè)面可以反映出電源對(duì)用電設(shè)備的影響是舉足輕重的。
電源品質(zhì)中，一個(gè)比較重要的指標(biāo)是電源紋波。電源紋波（ripple）通常認(rèn)為是在直流電源輸出中，疊加在直流分量上的并不需要的交流分量。這些交流分量通常是在交流轉(zhuǎn)直流過程中，由于電路的局限性無法完全濾除不需要的頻率分量而產(chǎn)生的。值得注意的是，雖然電池產(chǎn)生的電壓在短時(shí)間內(nèi)是固定不變的，并且原理上不存在紋波，但是對(duì)于使用電池供電的設(shè)備，我們?nèi)匀恍枰P(guān)注電源的紋波。一方面，隨著電池容量的消耗，電壓會(huì)逐漸降低，為了保證用電設(shè)備的輸入電壓恒定，電池的電壓會(huì)經(jīng)過DCDC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換，此時(shí)會(huì)引入額外的交流分量。另一方面，用電設(shè)備對(duì)電壓的需求不一致，一款消費(fèi)級(jí)設(shè)備就會(huì)需要多個(gè)不同的電源軌，因此會(huì)引入多個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而產(chǎn)生不同的交流分量。
電源紋波的基本測(cè)量
這里以一個(gè)常見的Raspberry Pi Pico開發(fā)板的電源模塊為例，介紹電源紋波測(cè)量的基本流程。
2.1 Raspberry Pi Pico電源簡(jiǎn)介
Raspberry Pi Pico是一個(gè)小巧實(shí)用的MCU板子，供電由一顆來自RICHTEK的RT6150B完成，輸出電壓是3.3V，電路如圖1所示。RT6150B是一個(gè)Buck-Boost轉(zhuǎn)換器，因此輸入電壓既可以高于也可以低于3.3V。板子的供電來自USB接口的5V，實(shí)現(xiàn)的是降壓轉(zhuǎn)換。值得注意的是，RT6150B有一個(gè)Power Save Mode（PSM）。當(dāng)芯片的7腳（PS）拉低時(shí)，PSM啟用，芯片工作在PFM模式，效率較高，但是紋波也較高。當(dāng)PS拉高時(shí)，PSM禁用，芯片工作在PWM模式，輕載時(shí)效率降低，但是紋波也較低。
圖1：Raspberry Pi Pico的供電電路
實(shí)際測(cè)量時(shí)，我們通過軟件控制PS拉低或拉高，從而使供電模式在PFM和PWM之間切換，進(jìn)而對(duì)比二者的差異。測(cè)量點(diǎn)位方面，供電輸出處有一顆電容C2，我們可以測(cè)量C2兩端的電壓來測(cè)量紋波。
2.2 示波器設(shè)置
探頭：紋波是疊加在電源直流分量上的一個(gè)交流電壓分量，因此和普通電壓信號(hào)測(cè)量比較類似，選擇一個(gè)無源電壓探頭即可。如果探頭上可以設(shè)置衰減，例如有1X和10X兩個(gè)檔位，需要設(shè)置到?jīng)]有衰減，即1X的檔位上。
探頭接地線：拔掉。沒錯(cuò)，去掉探頭上所有的接地延長(zhǎng)線，包括最常用的接地夾。探頭的接地要使用接地彈簧。接地彈簧是無源探頭的標(biāo)準(zhǔn)配件，可以用最短的路徑就近接入板上的地線。
垂直通道：設(shè)置為AC耦合；帶寬限制設(shè)置為20 MHz；本著先粗后細(xì)的原則，垂直刻度可以先設(shè)大一些，例如50mV/div；檢查并確認(rèn)探頭的衰減正確設(shè)為了1X。圖2是一個(gè)示波器垂直通道的設(shè)置示例。
圖2：示波器垂直通道設(shè)置
時(shí)間刻度：本著先粗后細(xì)的原則，時(shí)間刻度可以先設(shè)大一些，例如1ms/div，待后續(xù)觀察到信號(hào)后，再放大查看細(xì)節(jié)。
觸發(fā)系統(tǒng)：由于使用AC耦合，觸發(fā)電平可以設(shè)為0V，使用邊沿觸發(fā)即可。
2.3 測(cè)量波形
使用上述配置，可以測(cè)得輸出電容兩端的交流電壓如圖3和圖4所示。為了方便對(duì)比，2張圖的垂直刻度都統(tǒng)一設(shè)置為了5mV/div。
我們不難發(fā)現(xiàn)，相比PWM模式，PFM模式下，電源的紋波是明顯大的，這和datasheet的描述是一致的。
圖3：PFM模式的紋波
圖4：PWM模式的紋波
具體紋波的數(shù)值，可以通過數(shù)格子、光標(biāo)或示波器的自動(dòng)測(cè)量功能獲取。