频域示波器如何测量开关频率噪声？

一、测量开关频率噪声的步骤

1. 准备设备和连接

• 设备准备：
  • 频域示波器（具有FFT功能的示波器或频谱分析仪）。
  • 适当的探头（如高频探头或差分探头）。
  • 被测电源（SMPS）。
• 连接探头：
  • 将探头连接到开关电源的输出端（如Vout）或开关节点（如MOSFET的漏极）。
  • 如果测量输出噪声，确保探头的接地良好，以避免引入额外的噪声。
  • 如果测量开关节点的噪声，建议使用差分探头，以避免共模噪声的干扰。

2. 设置频域示波器参数

• 频率范围：
  • 设置中心频率（Center Frequency）为开关频率的近似值。例如，如果开关频率为100 kHz，中心频率可以设置为100 kHz。
  • 设置频率范围（Span）以覆盖开关频率及其谐波。例如，设置为200 kHz或更宽，以便观察到开关频率的倍频。
• 分辨率带宽（RBW）：
  • 设置RBW以获得合适的频率分辨率。对于开关频率噪声，RBW可以设置为1 kHz到10 kHz之间，具体取决于噪声的频率分布。
• 扫描时间（Sweep Time）：
  • 根据RBW自动设置扫描时间，或者手动调整以获得清晰的频谱图。
• 检测模式（Detection Mode）：
  • 选择“峰值检测”模式，以便清晰地观察噪声峰值。

3. 测量和分析开关频率噪声

• 观察频谱图：
  • 启动频域分析功能，观察频谱图中的噪声峰值。
  • 开关频率噪声通常会在开关频率及其倍频处出现明显的峰值。例如，开关频率为100 kHz时，可能会在100 kHz、200 kHz、300 kHz等位置出现峰值。
• 分析噪声幅度：
  • 通过频谱图中的标记功能（Marker），测量噪声峰值的幅度（dBm或Vrms）。
  • 比较不同频率下的噪声幅度，确定主要的噪声源。

二、如何优化测量结果

1. 减少噪声干扰

• 使用合适的探头：
  • 使用高频探头或差分探头，避免引入外部噪声。
  • 确保探头的接地良好，减少共模干扰。
• 使用屏蔽措施：
  • 将被测电源放置在屏蔽箱内，减少外部电磁干扰。
• 增加滤波器：
  • 在探头前端增加低通滤波器，滤除高频噪声。

2. 调整测量参数

• 调整RBW：
  • 如果噪声峰值不够清晰，可以减小RBW以提高频率分辨率。
  • 如果扫描时间过长，可以适当增加RBW以加快测量速度。
• 增加平均次数：
  • 使用平均功能（如16次或更多）降低噪声的随机性，提高测量的准确性。

三、案例分析

1. 连接探头：
   • 将高频探头连接到开关电源的输出端（Vout）。
   • 确保探头接地良好。
2. 设置频域示波器参数：
   • 中心频率：100 kHz。
   • 频率范围：200 kHz。
   • 分辨率带宽：1 kHz。
   • 检测模式：峰值检测。
3. 观察频谱图：
   • 启动频域分析功能，观察频谱图。
   • 发现在100 kHz、200 kHz、300 kHz等位置出现明显的噪声峰值。
4. 分析噪声幅度：
   • 使用标记功能测量100 kHz处的噪声幅度为-40 dBm。
   • 比较其他频率下的噪声幅度，发现主要噪声集中在开关频率及其倍频。

四、如何根据测量结果优化设计

1. 调整开关频率：
   • 如果开关频率噪声过高，可以尝试调整开关频率，避开敏感频段。
   • 例如，将开关频率从100 kHz调整到120 kHz，观察噪声是否降低。
2. 优化开关器件的驱动电路：
   • 减缓开关器件的开关速度（如增加栅极电阻），以降低开关噪声。
3. 增加滤波元件：
   • 在输出端增加高频滤波电容（如10 μF陶瓷电容），以抑制高频噪声。
4. 优化PCB布线：
   • 缩短电源线和地线的长度，减少寄生阻抗。
   • 增加电源线的宽度，降低阻抗。