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Back to top遠端量測電源轉換器漣波電壓的技巧
在電源供應系統中，電源轉換器的輸出電壓漣波會影響後系統的穩定性，所以系統設計者會十分關心如何正確評估機敏電路中漣波電壓的大小。常見的量測方式為使用電壓探棒對待測物做近距離量測，但現代的電子系統的元件體積越來越小，時常無法直接以電壓探棒來量測待測物，需將測試點以較長距離外拉的量測方式量測，而這種方式可能會受外拉線路引入雜訊干擾，無法確保測量值，進而不能正確評估待測物的漣波電壓。故本文將探討在受環境因素影響下須採用長距量測時，如何準確地評估轉換器漣波電壓的測試手法。
1. 緒論
1.1 漣波電壓
漣波電壓一般指的是直流電源轉換器上出現的交流電壓變化量。產生的來源主要是轉換器在電磁整流轉換的過程中產生且無法完全消除所造成的現象。
圖1為直流轉直流轉換器的例子，有時可以看到轉換器除輸出漣波電壓外，也包含雜訊成分，這是因為轉換器內部因材料的寄生特性在切換的過程中會產生電壓雜訊，並透過變壓器耦合到二次側所導致，造成我們在輸出電容端所量測到的結果，會是包含雜訊成分的漣波電壓。
1.2 近距離漣波量測
圖2為一般量測採用的長接地量測手法，因為其地線長度較長，對量測迴路等於是增加了寄生電感，在量測漣波電壓時，容易造成電壓的波形出現雜訊。
圖3
為常見的短接地漣波量測方式，由圖中可見，探棒接地端要使用最短距離的方式進行量測動作以避免量測到雜訊，接著將轉換器輸出端外接濾波電容，量測點從負載端改成輸出電容端，而這個電容的目的是抑制高頻雜訊，所以電容值通常不會太高，大多在0.1uF~1uF之間。 圖4 中的CH2、CH3分別是一般量測與短接地方式所量測出來的漣波差異圖，可以看出使用短接地的量測方法，能消除雜訊，量測正確的轉換器漣波電壓。
1.3 遠端漣波量測
在探棒不能直接測量待測物漣波電壓時，最常見的方法是使用長導線延伸待測物兩端，如圖5所示，這種方式可以運用在一般電壓訊號的量測，但如果用來量測漣波電壓，則容易因為長導線下的寄生雜散電感而受到干擾與阻抗匹配導致電壓波形出現變異，實非真實的轉換器特性。
為減少長距離測量時受線路受雜訊干擾，線材可以使用同軸電纜進行遠距離的量測，同軸電纜的結構對電磁干擾具有很好的屏蔽性，可以大幅減少傳導路徑上的寄生雜訊，同時在長距離的傳輸下具有最少的訊號衰減，能最大程度的保留訊號，如
圖6 所示，這邊要注意的是，同軸電纜出線端至待測物與電壓探棒的接線路徑越短越不容易接收干擾。
2. 實際量測
以下將透過同一個DC to DC轉換器，比較使用兩種線材做遠距離量測輸出漣波電壓時的差異。轉換器規格如表1所示，並在其輸出端並接一個0.1uF的MLCC，使用1x電壓探棒以近距離短接地量測結果做對照組；分別使用的延伸線材為75Ω之同軸電纜與1.25mm2之長直導線，長度分別各1.5公尺、3.0公尺兩種；示波器輸入阻抗設定為1 MΩ、頻寬設定為20MHz分別觀察其結果。
| DC/DC Converter | |
| Input voltage | 15Vdc |
| Output | 5 Vdc / 0.5A |
| Operating frequency | 330kHz |
| Ripple & noise | 20mVp-p (max) |
2.1 長導線
圖7為長導線組測試示意圖，透過圖中的方式測量轉換器輸出端電容(近端)與長導線延伸測量的漣波電壓，圖8的CH2為近端漣波電壓，CH3為使用1.5公尺長導線所測量到之漣波電壓。可以從圖中看到使用長導線測得的漣波波形受到干擾，影響使用者對轉換器的輸出電壓漣波分析，整體輸出電壓漣波的峰對峰值大約31.6mV。
2.2 同軸電纜
圖9為同軸電纜接線的示意圖，使用1.5公尺的同軸電纜取代長導線，並與轉換器輸出端電容(近端)測得的漣波電壓做比較。圖10是輸出電壓漣波量測結果，其中CH2為近端漣波電壓，CH3為使用1.5公尺的同軸電纜所測量到的漣波電壓，從圖中可以看到同軸電纜取得的波形與近端波形相近，相對於長導線而言是比較適合的長距漣波電壓量測方式，整體輸出電壓漣波的峰對峰值大約15.6mV。
2.3 距離對遠端量測漣波電壓影響
在長距離量測漣波電壓時，延伸線材的長度會在一定程度上影響輸出漣波電壓的波形，以下將接續前章，在其他條件不變的情況下，比較線材長度分別為1.5公尺、3公尺時，對輸出電壓漣波的影響。
圖11為長導線遠端輸出漣波電壓，CH2、CH3分別是1.5公尺、3.0公尺的長導線。可以從圖中看到長導線在傳輸過程中受到很大的干擾，無法呈現正確的轉換器輸出電壓漣波，且隨著距離增加干擾情形會越嚴重，3.0公尺長導線的整體漣波電壓峰對峰值來到約47.6mV，可見單純的長導線並不適用在遠距離量測漣波電壓。
圖12
為長度分別是1.5公尺、3.0公尺的同軸電纜遠端輸出電壓漣波，可以看到隨著距離的增加，同軸電纜仍能維持近端漣波電壓的波形，並無太大失真，且雜訊增加的幅度比起長導線的幅度來的小，3.0公尺同軸電纜的整體漣波電壓只有15.20mVp-p，與1.5公尺同軸電纜相比只增加1.2mV。
3. 結論
本文初步整理不同線材與距離對長距測量影響，並將結果整理如表2，可以看到同軸電纜比起長導線是相對適合的長距離漣波電壓量測線材，能在一定距離下維持輸出電壓漣波的波形與數值，在受到元件體積等環境限制時依舊能透過長距測量取得正確的漣波電壓，進而減少因為線路雜訊造成的誤判情況。
| Proximal | Coaxial cable | Wire | |
| Proximal | 12.4 mV | ||
| Length 1.5meter | 14.0 mV | 32.0 mV | |
| Length 3.0meter | 15.2 mV | 47.6 mV |
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