电源电压抑制比检测

电源电压抑制比检测：原理、方法与工程实践

副标题一：核心概念解析
电源电压抑制比（Power Supply Rejection Ratio, PSRR）是衡量电源系统（尤其是稳压器、放大器等）抑制其输入端电源电压波动能力的关键性能指标。它表征了器件或电路将电源线上的纹波和噪声传递到其输出电压上的衰减程度。PSRR通常以分贝（dB）为单位表示，数值越高，表示抑制电源干扰的能力越强。

数学表达：
PSRR(dB) = 20 * log10(ΔV_in / ΔV_out)
其中：

• ΔV_in：输入端电源电压的变化量（纹波幅度）。
• ΔV_out：由ΔV_in引起的输出端电压的变化量。

副标题二：PSRR测量关键技术
精确测量PSRR需要专业的仪器和严谨的方法：

1. 测试平台搭建：

   • 信号注入： 在待测器件（DUT）的电源输入端（VIN）与纯净直流电源之间，串联一个注入网络（如隔离变压器、电容耦合网络或宽带放大器）。该网络用于向直流电源上叠加一个可调频率和幅度的交流扰动信号（Vripple）。
   • 负载条件： DUT输出端连接精确的电子负载，模拟实际工作电流。
   • 输入/输出监测： 使用高精度差分探头或仪器（如网络分析仪、频谱分析仪）同时测量注入点电压（VIN_ac）和DUT输出电压上的交流成分（VOUT_ac）。关键点：测量探头带宽需远高于目标测试频率，接地回路需极短。

2. 频域扫描法（主流方法）：

   • 原理： 通过改变注入交流扰动信号的频率，系统性地测量DUT在不同频率下对电源扰动的抑制能力。
   • 仪器： 通常使用网络分析仪或频谱分析仪配合信号源。网络分析仪可直接给出传输特性（VOUT_ac / VIN_ac），即PSRR的倒数。
   • 步骤：
     • 设置信号源在目标频率范围（如10Hz到10MHz或更高）内进行扫频。
     • 记录每个频率点下输入扰动幅度（VIN_ac）和输出响应幅度（VOUT_ac）。
     • 计算每个频率点的PSRR：PSRR(f) = 20 * log10(VIN_ac(f) / VOUT_ac(f))。
     • 绘制PSRR随频率变化的曲线图（伯德图）。

3. 时域测量法（辅助验证）：

   • 原理： 在电源输入端施加特定频率（如100kHz或1MHz）的方波或正弦波扰动，用高带宽示波器同时捕捉输入扰动和输出响应波形。
   • 计算： 测量输入扰动峰峰值（ΔV_in_pp）和输出响应的峰峰值（ΔV_out_pp），计算该频率点的PSRR：PSRR = 20 * log10(ΔV_in_pp / ΔV_out_pp)。
   • 特点： 直观，设备要求相对低，但效率低于频域扫描，难以获得宽频带连续曲线。

副标题三：工程实践中的挑战与对策
实际测量中常面临以下挑战：

• 背景噪声干扰： 测试环境本身的电磁噪声会淹没微弱的输出响应信号。
  • 对策： 使用屏蔽良好的测试夹具和同轴电缆，优化接地设计，在低噪声环境中测试，利用仪器（如网络分析仪）的窄带检测能力提高信噪比。
• 探头带宽与负载效应： 探头带宽不足会衰减高频信号，探头电容可能影响被测电路的高频特性。
  • 对策： 选用高带宽（>待测频率上限数倍）、低电容（如1pF以下）的差分探头或专用有源探头。校准探头补偿电容。
• 接地环路与串扰： 不良的接地连接会引入额外噪声和测量误差。
  • 对策： 采用“星型接地”或单点接地策略，尽量缩短所有接地线，使用同轴电缆或屏蔽双绞线连接仪器。
• 注入网络限制： 注入网络本身的频率响应（带宽、插入损耗）会影响高频测量的准确度。
  • 对策： 选择宽带、低插入损耗的注入变压器或放大器。必要时，在网络分析仪测量中对其进行校准补偿。
• 直流偏置影响： 注入交流扰动时需确保DUT工作在其额定直流电压和电流范围内。
  • 对策： 使用直流电源提供稳定的偏置，注入网络需能有效隔离直流和交流信号。

副标题四：优化设计与应用策略
理解PSRR测量有助于电路设计优化：

• LDO选择： 为对电源噪声敏感的电路（如射频、高精度ADC/DAC、PLL）供电时，优先选用在关键频率范围内具有高PSRR的低压差线性稳压器（LDO）。
• 电源滤波： 在稳压器输入/输出端增加π型滤波（LC或RC），特别针对PSRR下降的高频区域进行加强。
• 旁路电容： 优化电源引脚附近的去耦电容（多层陶瓷电容MLCC）布局和选型（容值、电压、材质），利用其低ESL/ESR特性抑制高频噪声。多容值并联覆盖更宽频带。
• 电源域隔离： 对噪声敏感的模块与数字噪声源（如开关电源、处理器）采用独立的电源轨或稳压器供电。
• PCB布局： 缩短电源路径，减小环路面积，提供低阻抗接地平面。

案例示意：

• 目标： 测量一款LDO在100kHz处的PSRR。
• 方法：
  1. 搭建测试电路：直流电源 -> 注入网络（如1:1注入变压器）-> LDO输入。LDO输出接电子负载。
  2. 信号源产生100kHz正弦波（如Vpp=100mV）注入电源线。
  3. 高带宽差分探头A测注入点交流电压（VIN_ac）。
  4. 高带宽差分探头B测LDO输出端交流电压（VOUT_ac）。
  5. 示波器读取VIN_ac峰峰值（如100mV）和VOUT_ac峰峰值（如1mV）。
  6. 计算：PSRR@100kHz = 20 * log10(100mV / 1mV) = 40dB。

结论：
电源电压抑制比（PSRR）是评估电源完整性性能的核心指标。通过严谨的频域扫描测量方法，结合对测试平台搭建、仪器选择、接地技巧等关键细节的把控，工程师能够准确获取器件或系统的PSRR特性曲线。深入理解PSRR及其测量原理，对于设计高性能、低噪声的电子系统至关重要，特别是在通信、医疗、精密测量等对电源噪声极为敏感的领域。掌握PSRR测量技术，是优化电源设计和解决实际噪声问题的有力工具。