作者/ 孫麗萍1 蔡光躍2 周銀錦3 汪進進4

　　1.上海健康醫學院(上海 201318) 2.上海電子信息職業技術學院(上海 201411)

　　3.深圳市江波龍電子有限公司(廣東 深圳 518057)4.深圳市鼎陽科技有限公司(廣東 深圳 518101)

摘要：本文將傳統的測量電源PARD的方法改進，用于手持式醫療設備電源PARD的測量，以醫用平板電腦電源為特例。測量時不做20MHz帶寬限制，選擇500MHz帶寬做初步測量，再根據實際情況選擇合適的帶寬。在測量中，本文棄用示波器探頭，改用1:1衰減50歐姆的同軸電纜測試。對比實驗驗證結果表明，改進后的測量方法能正確反映手持式醫療設備電源輸出電壓PARD的真實狀況，為抑制電源特別是特殊用途電源PARD提供了思路。

引言

　　直流電源輸出的交流雜散稱為紋波和噪聲，或稱作周期和隨機偏差(PARD，Periodic And Random Deviation)。紋波指輸出中的交流周期信號，在頻域觀察時，紋波顯示為雜散響應。與周期性紋波不同，噪聲是隨機的，噪聲分布在很寬的頻譜上，用頻譜分析儀查看時，顯示為基線升高。由于紋波和噪聲通常混合在一起不容易區分開，在本文中用PARD表示這種組合效果。PARD指標是電源質量評價的一項重要內容，“干凈”的電源是電路正常工作的前提，也是器件中各項參數的重要保障，尤其醫療和健康領域的電子產品，比如手持式醫療設備。本文以醫用平板電腦為分析研究的特例，醫用平板電腦目前已是醫務人員重要的醫療輔助工具，如記錄病例，實時記錄病人病情，實時遠程診斷等。因此，其電源PARD要求嚴格，既不能對其他醫療設備造成影響，也不能因為自身的PARD使其工作不穩定造成重要的醫療數據丟失。因此，準確的測量醫用平板電腦電源的PARD，為電源設計和調整打下基礎，是每個醫療器械行業電源工程師的重要工作。本文通過嚴密的實驗，對比傳統的電源PARD測量方法，提出并實驗驗證改進的方法和步驟，結果證明其有效性。

1 傳統電源PARD測量方法

　　電源PARD測量主要有兩種工具，數字存儲示波器和交流毫伏表。交流毫伏表能方便地測出電源PARD的有效值，但有效值和交流毫伏表的頻響有很大關系^[1]，不同的頻率會有不同的測試值，因此，選用合適頻響的交流毫伏表是準確測量的關鍵。交流毫伏表不能直觀地觀察電源PARD波形，因此，絕大多數電源PARD的測量都采用數字存儲示波器。

　　(1)選用垂直檔位比較小的數字存儲示波器。由于PARD一般的測量數值都是幾毫伏/毫安到幾十毫伏/毫安不等，如果數字存儲示波器本身的垂直檔位太大，則測出的PARD值粗略而不準確，所以模擬示波器就不適合測量PARD。根據測試經驗，垂直檔位最好有1mV/div或更小，方便精確測量PARD。

　　(2)慎重選擇直流電子負載。在電子負載大規模應用之前，一般都選用精度比較高的滑動變阻器來控制調節電源電流輸出。但滑動變阻器無法調整精度，本身也有熱噪聲的問題，現在一般都選用直流電子負載。要注意的問題主要是直流電子負載自身的PARD要足夠小，不能影響電源PARD的測量。當然，如果是測量固定負載的電源PARD，可以不用直流電子負載。

　　(3)選用存儲深度比較大的數字存儲示波器。PARD波形一般都比較雜亂無序，需要看到更多PARD波形細節，就要求足夠大的存儲深度。因此為了精確測量，一般選用2Mega點以上的存儲深度。

　　(4)選用100MHz帶寬以上的示波器，并打開20MHz帶寬限制。傳統的開關電源開關頻率在幾十Hz到幾MHz之間，其工作中產生的PARD一般都小于20MHz，20MHz以上可以忽略不計。因此，需要打開20MHz帶寬限制防止偶發高頻信號串擾。根據示波器帶寬的定義，20MHz帶寬的示波器實際測試幅度只為輸入的70.7%，因此，必須選用5~10倍最高信號頻率帶寬的示波器。

　　(5)棄用示波器探頭，選用50歐姆的同軸電纜或雙絞線。示波器探頭地線和探針之間容易耦合進環路干擾噪聲，使PARD出現測試誤差。50歐姆的同軸電纜或雙絞線適合各種復雜環境測試，讓外界干擾降到最小。有的數字存儲示波器設有標準的50歐姆輸入阻抗，這一設置更方便測量，不過需要50歐姆輸入阻抗有比較高的功率。

　　(6)數字存儲示波器本身應該良好接地。良好接地一是防止電源地線的串擾對測量造成影響，減小誤差;二是為了示波器和實驗者的安全。

　　(7)使用數字存儲示波器的交流耦合。測量PARD，不需要得到直流信號的細節，更多關注的是PARD的幅度，波形等，因此，用交流耦合直接把直流信號成分濾除。如果直流輸出較小，在幾伏以下，又需要直觀的看到直流成分，可以使用直流耦合，得到全波形。測量的結果為直流成分加上PARD峰值。

　　以上七條，適用于市場上多數電源的PARD測量。在實際應用中，不同的行業也有不同的要求，特別是對健康要求嚴格的醫療行業、迅猛發展的通訊行業、3C電子產業等，其產品內部電源大量運用了高頻器件，20MHz以上的PARD就不能忽略，需要正確的選用數字存儲示波器和設置其帶寬限制。

2 改進的醫用平板電腦電源PARD測量方法

　　醫用平板電腦和平常的平板電腦無區別，但使用環境和其作用比后者更苛刻。醫用平板電腦電源自身的PARD不能影響其他精密醫療器械的工作，也不能對某些特殊病人的健康造成威脅，而且所記錄的醫療數據要求牢靠，不受影響。針對醫用平板電腦，將以上方法的核心第四條改進如下：

　　選用500MHz或以上高帶寬的數字存儲示波器，觀察PARD波形，記錄PARD峰峰值和有效值，分別打開200MHz帶寬限制、100MHz帶寬限制和20MHz帶寬限制，分別記錄PARD峰峰值和有效值。比較數值，以最大的PARD有效值為最終的電源PARD值。如圖1為改進的電源PARD測量方法連接框圖。

3 實驗驗證及分析

　　為了驗證改進效果，實驗選用深圳鼎陽公司生產的SDS3052數字存儲示波器，其主要參數為：帶寬500MHz，實時采樣率4G Sa/s，存儲深度為10Mpts/CH，最小垂直檔位1mV/div，波形捕獲率最高250000幀/s，帶50歐姆輸出阻抗。

　　測量對象是一款醫用平板電腦擴容外設，如圖2所示。此設備是通過在醫用平板電腦上安裝對應的APP，在充電口加入外圍模塊來實現對平板電腦的擴容。這一款設備所用的存儲介質是Micro SD卡。對其中Micro SD卡存儲部分的信號進行檢測，檢測這一部分回路是否符合SD規范。由于是固定電壓測量，不需要使用直流電子負載來調節輸出電流。在使用數字存儲示波器檢測SDVCC電壓的時候，根據對電源PARD的測量經驗，測量電源PARD一般應限制在20MHz帶寬。

　　首先測量產品給SD供電的電壓波形。按照存儲芯片Micro SD卡供電要求的范圍：2.7~3.6V，不允許超出此范圍，否則，芯片在不穩定的電壓下工作會有比較大的風險，甚至會對醫用平板電腦正常工作帶來影響。

　　醫用平板電腦引出來的端口作為電源的源端，而通過后端的外圍模塊后在末端進行測試，電源通過了一段PCB走線，包括一些芯片回路，應該存在高頻的PARD，如果采用20MHZ的帶寬限制，實際上是將原本屬于模塊的PARD濾掉了，為此，進行對比測試驗證。

　　第一步，驗證醫用平板電腦的供電端在工作時的電壓輸出，通過直接驗證保證源端的供電是正常的，如圖3所示。

　　通過測試，源端的電壓值在3.4V左右，即使使用數字存儲示波器探頭以及地線，帶寬放寬至500MHz，峰峰值最大才為29mV，是非常穩定的供電。因此排除源端供電的問題。如圖4所示的波形和測試結果。

　　第二步，直接在通過整個模塊后在Micro SD卡的供電腳SDVCC對電壓進行測量，如圖5。也采用數字存儲示波器探頭和地線，帶寬500MHz。當對供電點進行測試時，發現電源上有相當大的PARD，超出了規范要求的范圍，最大值達到3.814V，峰峰值最大達到854mV。如圖6所示測試的PARD波形和結果。

　　當把數字存儲示波器SDS3052設置為20MHz帶寬限制時，電源輸出變得非常好，完全在供電要求的范圍內。如圖7所示20MHz帶寬限制時的波形和結果。

　　以上的測試，如果按照20MHz帶寬限制進行，會給測量帶來誤判，因為確實存在比較大的高頻PARD，數字存儲示波器的前端濾波會將本身存在的PARD濾掉，因此，必須采用500MHz帶寬進行測試。不過，以上的測試還不能確證PARD的大小，另外，采用了無源的示波器探頭加地線，也不能明確給出測量結果的誤差。

　　第三步，采用不同的接地環路對相同的測試點進行測量，如圖8所示，用帶地線和彈簧接地針的數字存儲示波器探頭進行測試。帶彈簧接地針的測試回路減少了信號的回流路徑，測試結果比原來的6英寸接地線效果好一些，但差別不大，最大值為3.8V，但根據經驗判斷，結果不夠準確。

　　第四步，數字存儲示波器標配的10:1無源探頭會對信號測量帶來比較大的偏差，會將數字存儲示波器本身的底噪提高10倍。因此，改用1:1衰減，50歐姆的同軸電纜對產品再次測量，以保證反映產品電源PARD的真實狀況。如圖9所示采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測量，圖10為測試波形和結果。

　　采用1:1衰減50歐姆同軸電纜測試的結果，最大值為3.645V，比使用無源探頭3.814V的測量值少0.169V。測試的結果還是超出要求的范圍，雖然0.045V的PARD短時間內對醫用平板電腦不會造成嚴重損害，但長期工作在比較大的PARD內會使器件加速老化，縮短使用壽命。在手持式醫療設備中，過大的電源PARD，對其他精密醫療器械有干擾的風險。因此需要做非常精確的PARD測量，應選擇1:1衰減50歐姆電纜測量，盡量減少測量誤差，從而選用合格的手持式醫療設備。

4 結論

　　本文主要從實驗測試的角度分析如何有效的測量手持式醫療設備電源(醫用平板電腦電源為特例)的PARD。如果采用傳統的測量方法，直接選擇20MHz帶寬限制進行測試，將無法正確的反映醫用平板電腦電源輸出的真實狀況。在醫療器械領域中涉及到設備電源電壓監控測量中，應考慮到內部高頻器件的干擾，不能簡單把帶寬限制在20MHz。具體選擇多大的帶寬，要具體問題具體分析，最簡單的辦法是從高帶寬(例如500MHz)往下驗證，得出電源PARD最真實的值。如需要精確的測量電源的PARD，應當不用數字存儲示波器的探頭，改用1:1衰減50歐姆的同軸電纜或雙絞線進行測量。

參考文獻:

　　[1]張國安,翟長生,祁承超,張顯才.沖量控制技術消除開關電源低頻紋波的研究[J].電力電子技術,2009,15(04):213-215.

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第10期第73頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。