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El ruido en las fuentes de alimentación en modo de conmutación (SMPS) a veces recibe un bum rap.

Estaba evaluando el ruido de voltaje en una simple fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS) de bajo costo y casi me caigo por la mala reputación generalizada que estos suministros tienen para el ruido.

Ruido de salida en los reguladores de conmutación

Por su naturaleza, habrá un cierto ruido de conmutación en la salida de un nSMPS. Después de todo, están diseñados para cambiar la corriente de una fuente de CC superior usando una señal modulada en ancho de pulso (o modulada en frecuencia de pulso), y luego filtran esto usando un filtro LC de 2 polos.

La acción de conmutación del MOSFET crea periodos alternativos en los que la primera corriente fluye hacia el inductor y luego el inductor se descarga. Esto da lugar a grandes picos de voltaje y dI / dt. Esperamos este tipo de ruido. Es una cuestión de cuán efectivo es el filtro LC para evitar que estas grandes puntas de voltaje se transmitan al resto del circuito.

El voltaje de salida típico de un SMPS mostrará la ondulación en la frecuencia de conmutación. Una métrica importante es la cantidad de ondulación que hay cuando el regulador no tiene carga y luego cuando se carga con la resistencia de carga típica en la aplicación.

Medición del ruido en las fuentes de alimentación de modo conmutado

Hace poco tuve una aplicación de bajo nivel de ruido en la que quería intentar usar un SMPS de 3.3 V de muy bajo costo; solo se requirieron 50 mA de corriente de carga. Tuve una placa de evaluación que conecté a la alimentación de una fuente de verrugas de pared de 5 V y medí la salida con una simple sonda de 10 ×. Mi configuración de medición se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Medición del riel de voltaje de salida con una sonda de 10 ×.

El nivel de CC estaba bien a 3.3 V. Con la resolución de 12 bits y la gran capacidad de compensación en mi alcance Teledyne LeCroy HDO 8108, pude compensar este voltaje para poder ampliar el ruido de rizado y buscar lentitud DC deriva. La Figura 2 muestra el ruido de voltaje medido en una escala de 10 mV / div.

Figura 2. Ruido medido en la salida SMPS con 10 × Sonda en una escala de 10 mV / div.

El período de 20 μsec del conmutador, correspondiente a una frecuencia de conmutación de 50 kHz, es claramente evidente. Los pulsos de triángulos se esperan de los ciclos de carga y descarga de la corriente del inductor. Pero, además de esta firma esperada, hay dos tipos de ruido de alta frecuencia. Hay 10 mV de pico a pico de ruido en las regiones planas, y un ruido agudo y puntiagudo que a veces aumenta hasta 60 mV de pico a pico.

El ruido de alta frecuencia y los fuertes picos de ruido eran preocupantes. Esto no estaba siendo filtrado por el filtro LC de 2 polos. Si usé este suministro, ¿cómo iba a garantizar que mi placa mantendría una funcionalidad adecuada a pesar de todo este ruido?

Sin embargo, resulta que este ruido no era en realidad ruido de voltaje en la salida de la fuente de alimentación. Fue todo RF recogido en mi sonda.

Distinguir el ruido de voltaje de la captación de RF

El gran dI / dt que pasa a través del inductor en el filtro LC da como resultado grandes campos magnéticos que se generan cerca de la SMPS. Cualquier bucle con una ruta de baja inductancia tendrá corrientes inducidas magnéticamente que generan voltajes que medimos con el alcance.

La sonda 10 × que conecté a los cables del SMPS hace una antena de bucle que recoge estos picos. Tu primer pensamiento podría ser, pero ¿no tiene la sonda 10 × una resistencia de 9 MΩ en la punta? ¿No es esto una impedancia grande que evitaría que se induzcan corrientes de CA en el bucle?

Hay una resistencia de 9 MΩ en la punta, pero también hay un condensador de derivación de 10 pF, parte del circuito de ecualización a través del cual fluyen las corrientes de alta frecuencia. A 100 MHz, el condensador de 10 pF tiene una impedancia de solo 160, sorprendentemente baja.

Para probar la idea de que parte de este ruido era realmente una captación de RF en la sonda y no el ruido real en la línea de alimentación, soldé un pequeño conector SMA a la salida de la placa para reducir el área de la antena de bucle y la sensibilidad a la radiación. campos. Además, agregué otra sonda de 10 × cerca de la que mide el voltaje de salida de SMPS, pero con esta segunda sonda la punta se cortocircuitó al cable de tierra. Esta configuración me permitió medir simultáneamente el riel de salida con una sonda 10 ×, el riel de salida a través de un conector SMA y el ruido de RF local (que es detectado por la sonda con la punta cortada al cable de tierra). Esto se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Utilizando dos sondas de 10 × y una conexión coaxial de 1 × para medir el ruido de voltaje en la salida SMPS.

La figura 4 muestra el ruido medido usando estos tres métodos.

Figura 4. Tensión medida en la salida SMPS. Todos los canales están en la misma escala de 10 mV / div.

La atenuación de la sonda afecta a la SNR

Hay dos observaciones importantes. Primero, el nivel general de ruido en el cable coaxial de 1 × es mucho más bajo que en las sondas de 10 ×. Esto se debe realmente al hecho de que la sonda 10x no es una sonda 10x, es una sonda 0.1x. Atenúa la señal en un factor de 10, reduciendo su amplitud en 20 dB. Cuando medimos pequeños niveles de señal, como decenas de milivoltios, la tensión medida es sensible al ruido del amplificador del alcance.

La mayoría de los ámbitos son lo suficientemente inteligentes como para reconocer que hay una sonda de 10 × conectada al canal. Ajustan automáticamente la escala de voltaje mostrada para compensar la atenuación del factor de diez y mostrar el voltaje de la punta. Por lo tanto, cuando el alcance muestra la señal en una escala de 10 mV / div, en realidad está utilizando una escala de 1 mV / div en el amplificador. Lo que estamos viendo como casi 10 mV pico a pico de ruido en la punta es realmente alrededor de 1 mV pico a pico de ruido en el amplificador de alcance.

El cable coaxial que usa la conexión SMA es efectivamente una sonda 1x. Esta traza también se muestra en una escala de 10 mV / div. En este caso, el ruido del amplificador pico a pico de 1 mV está más o menos contenido dentro del ancho de línea de la traza.

Esto sugiere una mejor práctica de medición importante: cuando observamos señales de baja amplitud, como el ruido del riel eléctrico, cualquier sonda atenuadora de 10 × reduce nuestra SNR en 20 dB. Cuando cada dB cuenta, no utilice una sonda de atenuación.

Conexión coaxial vs. sonda de alcance

La segunda observación es que las puntas grandes y afiladas no están presentes en la conexión coaxial, pero están presentes en las dos mediciones de la sonda 10 ×. Dado que una de las sondas ni siquiera está tocando la salida del riel, esto es una fuerte indicación de que el ruido agudo del pico se debe a la captación de RF y no es ruido de voltaje en la salida SMPS.

Esto sugiere la segunda mejor práctica de medición importante: al medir señales de baja amplitud, use una configuración de medición que sea lo más cercana posible a una conexión coaxial para reducir el área de bucle de la sonda y su efectividad como antena.

Si implementamos estas dos mejores prácticas de medición, tenemos un ruido de ondulación pico a pico de 30 mV, de un riel de 3,3 V. Esto es un rizo del 1%, bastante bueno para un SMPS de bajo costo. Además, el ruido de alta frecuencia se reduce en gran medida y los transitorios de corta duración, que en realidad están presentes como ruido de captación de RF pero no como ruido de voltaje del riel, ya no se muestran como parte de la señal de salida del conmutador.

Ruido en el dominio de frecuencia

Mientras use un plano de tierra cerca de mis rutas de potencia y señal, que es una importante práctica de diseño, los dispositivos alimentados por este SMPS y las señales en mi placa verán solo los armónicos de la ondulación de 50 kHz generada por el SMPS.

Usando la conexión coaxial directa de bajo ruido, medí el espectro del ruido en el riel de alimentación desde el SMPS. Un ejemplo se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Espectro Del ruido en el tren de potencia. Parte superior Es el espectrograma variable en el tiempo, durante 10 segundos, que muestra amplitudes muy constantes. En esta escala, 0 dBmV es un ruido de amplitud de 1 mV.

Los picos en el espectro son los armónicos de 50 kHz de la frecuencia de conmutación. La amplitud del primer armónico es de aproximadamente 10 dBmV, que es de 3 mV. Esto es mucho menor que el voltaje pico a pico de 30 mV medido en el dominio del tiempo. Esto se debe a que el ruido de ondulación tiene un ciclo de trabajo tan bajo. No hay mucha onda sinusoidal en los pulsos de triángulos de corta duración en el primer armónico. El gran número de armónicos superiores es una indicación de la forma impar de la forma de onda en el dominio del tiempo y su contenido de alta frecuencia.

Todo el ruido de conmutación está por debajo de 10 μV de amplitud por encima de unos 3 MHz. Para mi aplicación, este es un nivel de ruido aceptable, y en realidad es muy bajo para un SMPS de bajo costo.

Conclusión

Este artículo abordó consideraciones importantes con respecto al ruido de voltaje que en realidad se genera mediante una fuente de alimentación de modo de conmutación, y presentó las mejores prácticas de medición que lo ayudarán a realizar mediciones de alcance precisas de un riel de salida del regulador de conmutación.