手持式医疗设备电源的纹波和噪声的分析和测量

作者/ 孙丽萍1 蔡光跃2 周银锦3 汪进进4

　　1.上海健康医学院(上海 201318) 2.上海电子信息职业技术学院(上海 201411)

　　3.深圳市江波龙电子有限公司(广东 深圳 518057)4.深圳市鼎阳科技有限公司(广东 深圳 518101)

摘要：本文将传统的测量电源PARD的方法改进，用于手持式医疗设备电源PARD的测量，以医用平板电脑电源为特例。测量时不做20MHz带宽限制，选择500MHz带宽做初步测量，再根据实际情况选择合适的带宽。在测量中，本文弃用示波器探头，改用1:1衰减50欧姆的同轴电缆测试。对比实验验证结果表明，改进后的测量方法能正确反映手持式医疗设备电源输出电压PARD的真实状况，为抑制电源特别是特殊用途电源PARD提供了思路。

引言

　　直流电源输出的交流杂散称为纹波和噪声，或称作周期和随机偏差(PARD，Periodic And Random Deviation)。纹波指输出中的交流周期信号，在频域观察时，纹波显示为杂散响应。与周期性纹波不同，噪声是随机的，噪声分布在很宽的频谱上，用频谱分析仪查看时，显示为基线升高。由于纹波和噪声通常混合在一起不容易区分开，在本文中用PARD表示这种组合效果。PARD指标是电源质量评价的一项重要内容，“干净”的电源是电路正常工作的前提，也是器件中各项参数的重要保障，尤其医疗和健康领域的电子产品，比如手持式医疗设备。本文以医用平板电脑为分析研究的特例，医用平板电脑目前已是医务人员重要的医疗辅助工具，如记录病例，实时记录病人病情，实时远程诊断等。因此，其电源PARD要求严格，既不能对其他医疗设备造成影响，也不能因为自身的PARD使其工作不稳定造成重要的医疗数据丢失。因此，准确的测量医用平板电脑电源的PARD，为电源设计和调整打下基础，是每个医疗器械行业电源工程师的重要工作。本文通过严密的实验，对比传统的电源PARD测量方法，提出并实验验证改进的方法和步骤，结果证明其有效性。

1 传统电源PARD测量方法

　　电源PARD测量主要有两种工具，数字存储示波器和交流毫伏表。交流毫伏表能方便地测出电源PARD的有效值，但有效值和交流毫伏表的频响有很大关系^[1]，不同的频率会有不同的测试值，因此，选用合适频响的交流毫伏表是准确测量的关键。交流毫伏表不能直观地观察电源PARD波形，因此，绝大多数电源PARD的测量都采用数字存储示波器。

　　(1)选用垂直档位比较小的数字存储示波器。由于PARD一般的测量数值都是几毫伏/毫安到几十毫伏/毫安不等，如果数字存储示波器本身的垂直档位太大，则测出的PARD值粗略而不准确，所以模拟示波器就不适合测量PARD。根据测试经验，垂直档位最好有1mV/div或更小，方便精确测量PARD。

　　(2)慎重选择直流电子负载。在电子负载大规模应用之前，一般都选用精度比较高的滑动变阻器来控制调节电源电流输出。但滑动变阻器无法调整精度，本身也有热噪声的问题，现在一般都选用直流电子负载。要注意的问题主要是直流电子负载自身的PARD要足够小，不能影响电源PARD的测量。当然，如果是测量固定负载的电源PARD，可以不用直流电子负载。

　　(3)选用存储深度比较大的数字存储示波器。PARD波形一般都比较杂乱无序，需要看到更多PARD波形细节，就要求足够大的存储深度。因此为了精确测量，一般选用2Mega点以上的存储深度。

　　(4)选用100MHz带宽以上的示波器，并打开20MHz带宽限制。传统的开关电源开关频率在几十Hz到几MHz之间，其工作中产生的PARD一般都小于20MHz，20MHz以上可以忽略不计。因此，需要打开20MHz带宽限制防止偶发高频信号串扰。根据示波器带宽的定义，20MHz带宽的示波器实际测试幅度只为输入的70.7%，因此，必须选用5~10倍最高信号频率带宽的示波器。

　　(5)弃用示波器探头，选用50欧姆的同轴电缆或双绞线。示波器探头地线和探针之间容易耦合进环路干扰噪声，使PARD出现测试误差。50欧姆的同轴电缆或双绞线适合各种复杂环境测试，让外界干扰降到最小。有的数字存储示波器设有标准的50欧姆输入阻抗，这一设置更方便测量，不过需要50欧姆输入阻抗有比较高的功率。

　　(6)数字存储示波器本身应该良好接地。良好接地一是防止电源地线的串扰对测量造成影响，减小误差;二是为了示波器和实验者的安全。

　　(7)使用数字存储示波器的交流耦合。测量PARD，不需要得到直流信号的细节，更多关注的是PARD的幅度，波形等，因此，用交流耦合直接把直流信号成分滤除。如果直流输出较小，在几伏以下，又需要直观的看到直流成分，可以使用直流耦合，得到全波形。测量的结果为直流成分加上PARD峰值。

　　以上七条，适用于市场上多数电源的PARD测量。在实际应用中，不同的行业也有不同的要求，特别是对健康要求严格的医疗行业、迅猛发展的通讯行业、3C电子产业等，其产品内部电源大量运用了高频器件，20MHz以上的PARD就不能忽略，需要正确的选用数字存储示波器和设置其带宽限制。

2 改进的医用平板电脑电源PARD测量方法

　　医用平板电脑和平常的平板电脑无区别，但使用环境和其作用比后者更苛刻。医用平板电脑电源自身的PARD不能影响其他精密医疗器械的工作，也不能对某些特殊病人的健康造成威胁，而且所记录的医疗数据要求牢靠，不受影响。针对医用平板电脑，将以上方法的核心第四条改进如下：

　　选用500MHz或以上高带宽的数字存储示波器，观察PARD波形，记录PARD峰峰值和有效值，分别打开200MHz带宽限制、100MHz带宽限制和20MHz带宽限制，分别记录PARD峰峰值和有效值。比较数值，以最大的PARD有效值为最终的电源PARD值。如图1为改进的电源PARD测量方法连接框图。

3 实验验证及分析

　　为了验证改进效果，实验选用深圳鼎阳公司生产的SDS3052数字存储示波器，其主要参数为：带宽500MHz，实时采样率4G Sa/s，存储深度为10Mpts/CH，最小垂直档位1mV/div，波形捕获率最高250000帧/s，带50欧姆输出阻抗。

　　测量对象是一款医用平板电脑扩容外设，如图2所示。此设备是通过在医用平板电脑上安装对应的APP，在充电口加入外围模块来实现对平板电脑的扩容。这一款设备所用的存储介质是Micro SD卡。对其中Micro SD卡存储部分的信号进行检测，检测这一部分回路是否符合SD规范。由于是固定电压测量，不需要使用直流电子负载来调节输出电流。在使用数字存储示波器检测SDVCC电压的时候，根据对电源PARD的测量经验，测量电源PARD一般应限制在20MHz带宽。

　　首先测量产品给SD供电的电压波形。按照存储芯片Micro SD卡供电要求的范围：2.7~3.6V，不允许超出此范围，否则，芯片在不稳定的电压下工作会有比较大的风险，甚至会对医用平板电脑正常工作带来影响。

　　医用平板电脑引出来的端口作为电源的源端，而通过后端的外围模块后在末端进行测试，电源通过了一段PCB走线，包括一些芯片回路，应该存在高频的PARD，如果采用20MHZ的带宽限制，实际上是将原本属于模块的PARD滤掉了，为此，进行对比测试验证。

　　第一步，验证医用平板电脑的供电端在工作时的电压输出，通过直接验证保证源端的供电是正常的，如图3所示。

　　通过测试，源端的电压值在3.4V左右，即使使用数字存储示波器探头以及地线，带宽放宽至500MHz，峰峰值最大才为29mV，是非常稳定的供电。因此排除源端供电的问题。如图4所示的波形和测试结果。

　　第二步，直接在通过整个模块后在Micro SD卡的供电脚SDVCC对电压进行测量，如图5。也采用数字存储示波器探头和地线，带宽500MHz。当对供电点进行测试时，发现电源上有相当大的PARD，超出了规范要求的范围，最大值达到3.814V，峰峰值最大达到854mV。如图6所示测试的PARD波形和结果。

　　当把数字存储示波器SDS3052设置为20MHz带宽限制时，电源输出变得非常好，完全在供电要求的范围内。如图7所示20MHz带宽限制时的波形和结果。

　　以上的测试，如果按照20MHz带宽限制进行，会给测量带来误判，因为确实存在比较大的高频PARD，数字存储示波器的前端滤波会将本身存在的PARD滤掉，因此，必须采用500MHz带宽进行测试。不过，以上的测试还不能确证PARD的大小，另外，采用了无源的示波器探头加地线，也不能明确给出测量结果的误差。

　　第三步，采用不同的接地环路对相同的测试点进行测量，如图8所示，用带地线和弹簧接地针的数字存储示波器探头进行测试。带弹簧接地针的测试回路减少了信号的回流路径，测试结果比原来的6英寸接地线效果好一些，但差别不大，最大值为3.8V，但根据经验判断，结果不够准确。

　　第四步，数字存储示波器标配的10:1无源探头会对信号测量带来比较大的偏差，会将数字存储示波器本身的底噪提高10倍。因此，改用1:1衰减，50欧姆的同轴电缆对产品再次测量，以保证反映产品电源PARD的真实状况。如图9所示采用1:1衰减50欧姆同轴电缆测量，图10为测试波形和结果。

　　采用1:1衰减50欧姆同轴电缆测试的结果，最大值为3.645V，比使用无源探头3.814V的测量值少0.169V。测试的结果还是超出要求的范围，虽然0.045V的PARD短时间内对医用平板电脑不会造成严重损害，但长期工作在比较大的PARD内会使器件加速老化，缩短使用寿命。在手持式医疗设备中，过大的电源PARD，对其他精密医疗器械有干扰的风险。因此需要做非常精确的PARD测量，应选择1:1衰减50欧姆电缆测量，尽量减少测量误差，从而选用合格的手持式医疗设备。

4 结论

　　本文主要从实验测试的角度分析如何有效的测量手持式医疗设备电源(医用平板电脑电源为特例)的PARD。如果采用传统的测量方法，直接选择20MHz带宽限制进行测试，将无法正确的反映医用平板电脑电源输出的真实状况。在医疗器械领域中涉及到设备电源电压监控测量中，应考虑到内部高频器件的干扰，不能简单把带宽限制在20MHz。具体选择多大的带宽，要具体问题具体分析，最简单的办法是从高带宽(例如500MHz)往下验证，得出电源PARD最真实的值。如需要精确的测量电源的PARD，应当不用数字存储示波器的探头，改用1:1衰减50欧姆的同轴电缆或双绞线进行测量。

参考文献:

　　[1]张国安,翟长生,祁承超,张显才.冲量控制技术消除开关电源低频纹波的研究[J].电力电子技术,2009,15(04):213-215.

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第10期第73页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。