本篇文章主要分享電源紋波和電源噪聲的區(qū)別，目錄和結(jié)構(gòu)如下：

1.前言

2.紋波

3.噪聲

4.紋波和噪聲

5.測試方法

6.如何降低紋波和噪聲

1.前言 大三在技術(shù)二面CVTE時(shí)，面試官提出了一個(gè)問題，你們在學(xué)校是怎么測試紋波的？我記得那時(shí)候我的回答是，我們在實(shí)驗(yàn)室測紋波是用示波器探頭加在輸出端，耦合方式選為AC，帶寬限制在20MHz進(jìn)行測試。 面試官又問我，為什么要帶寬限制在20MHz？以當(dāng)時(shí)在大學(xué)的學(xué)習(xí)深度，沒有想過這樣的問題，所以這一問，答的并不好。 后來去CVTE實(shí)習(xí)，我看到他們在測試紋波時(shí)示波器前面有一塊小板子，板子上有幾個(gè)黃色的小電容，一端用金色的同軸電纜和示波器相連，另一端是和被測試的電源相接。 當(dāng)時(shí)看到這套搭配非常好奇，怎么和在學(xué)校的方法有些區(qū)別呢？于是就向他們請教，這個(gè)地方單獨(dú)接的小板子是干啥的？為什么不直接將示波器接在單板上面呢？他們當(dāng)時(shí)給我的答案是：“用來濾波的”。 參加工作后，經(jīng)常會(huì)測試電源紋波和噪聲，在視頻圖像中，給Sensor的電源如果紋波超過Sensor要求，圖像上就會(huì)有抖動(dòng)的橫紋。在FPGA系統(tǒng)中，電源紋波波動(dòng)超過100mV，BANK的工作可能會(huì)受到影響。

DDR的電源如果紋波不滿足要求，數(shù)據(jù)的采樣和傳輸可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。

所以，電源的紋波是單板開發(fā)中必須關(guān)注的一個(gè)指標(biāo)，在原理圖，器件的選型，PCB的布局走線都會(huì)融入盡可能降低電源紋波這樣的設(shè)計(jì)理念。? ?而就在前不久，工作中發(fā)生的一件事情，讓我產(chǎn)生了寫這篇文章的想法。 那天剛好看到同事在測試電源紋波，他用了一個(gè)很長的引線將電源輸出接出來，然后接在示波器探頭上，地線也用了很長的線接出來。我看到這個(gè)測試方式有些不對，就過去跟他說，你測試電源紋波的時(shí)候，這個(gè)引線太長了測試會(huì)不準(zhǔn)確的，最好探頭能靠近一些，然后帶寬選在20MHz。 就在我嘗試著去查看他示波器配置時(shí)，并調(diào)節(jié)帶寬限制，那個(gè)同事跟我說，我在測試噪聲，這個(gè)帶寬要用全帶寬。我說你不是測試電源的紋波嗎？他說不是的，他們在測試這一路電源的噪聲。 電源紋波和噪聲到底有什么區(qū)別？怎么測量？我想用這篇文章來梳理一下。 2.紋波 紋波（ripple），最常見的定義是指，在直流電源上，不希望出現(xiàn)的交流電壓變動(dòng)量，一般是因?yàn)橹绷麟妷菏抢媒涣麟妷恨D(zhuǎn)換后產(chǎn)生，其中輸出電壓中的交流成分無法完全消除所造成。（來源于維基百科） 即電源紋波是指在直流信號(hào)上的交流干擾信號(hào)，這個(gè)干擾信號(hào)波動(dòng)的頻率和開關(guān)頻率相同。 典型的DC-DC電源輸出電壓波形如下：

上面的圖片來源于MP16xx芯片輸出電壓波形，從手冊中可以看出，波浪式的周期和開關(guān)頻率一致。波浪的幅值即為紋波的峰峰值，所以，在測試DC-DC電源紋波時(shí)，比較關(guān)注的是輸出紋波Vpp。

3.噪聲 針對噪聲的定義比較豐富，但是對電源噪聲的定義我查了一些資料，目前其實(shí)對電源紋波和電源噪聲的定義沒有一個(gè)共同的協(xié)會(huì)制定。在《開關(guān)電源噪聲的形成及抑制方法》這篇論文中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)用于電子系統(tǒng)噪聲定義： 噪聲是指在電子電路設(shè)計(jì)中沒有安排的信號(hào) ,這些信號(hào)通常由環(huán)境中自然因素或人為因素產(chǎn)生的電磁能量造成。影響電子電路正常工作的噪聲稱為“干擾”,而能產(chǎn)生一定能量的任何物質(zhì)都可以稱為“噪聲源”。 即電源噪聲可以理解為電源模塊工作在產(chǎn)品系統(tǒng)中，由系統(tǒng)內(nèi)部和外部“干擾”引起的非連續(xù)的，無規(guī)律的電壓或者電流尖峰。

接著剛剛MP16xx電源芯片的規(guī)格書，可以看到在輸出電壓波形上，箭頭1和箭頭2處的尖峰。從波形圖上可以看出：

1所示的尖峰，是SW由開通向關(guān)斷轉(zhuǎn)變的時(shí)刻；

2所示的尖峰，是SW由關(guān)斷向開通轉(zhuǎn)變的時(shí)刻；

再對比左右兩幅圖可以看出，左邊的1和2波動(dòng)尖峰比較大，右邊的1和2波動(dòng)的尖峰幅值較小。而造成這種區(qū)別的原因是負(fù)載電流不一樣。

4.紋波和噪聲 上面的內(nèi)容是把電壓紋波和電壓噪聲進(jìn)行了分開定義和說明，但是在實(shí)際測試的波形中，如果使用500mV/div的分辨率來看輸出電壓，看到的是穩(wěn)定的直流電壓，如果用5mV/div分分辨率來看輸出電源，看到的是既有開關(guān)頻率的紋波，也有非連續(xù)，無規(guī)律的噪聲。

從上面可以圖看出，噪聲的幅值相對紋波要小。（不是絕對的，噪聲幅值完全可以比紋波大） 如果將紋波和噪聲進(jìn)行統(tǒng)一后，可以得到下面的結(jié)論：開關(guān)電源輸出電源紋波和噪聲主要有四部分構(gòu)成，如下圖所示：

?? 電源紋波，頻率和開關(guān)頻率相同。? ?? 開關(guān)噪聲，在SW開通和關(guān)斷的時(shí)刻疊加在紋波上。? ?? 工頻噪聲，典型的為50Hz? ?? 隨機(jī)噪聲，非周期性的干擾

考慮到DC-DC變換器輸入電壓是DC，隨機(jī)噪聲無法進(jìn)行準(zhǔn)確的測量計(jì)算，DC-DC變換器在輸出電壓指標(biāo)測量時(shí)，主要以電源紋波和開關(guān)噪聲為主。? ?綜上可知，紋波和噪聲的區(qū)別如下：

5.測試方法 電源紋波測試時(shí)，需要注意的事項(xiàng)如下： ?? 示波器使用AC耦合

?? 示波器帶寬限制20MHz? ?? 把示波器探頭的地夾線去掉，換上彈簧接地環(huán)，用探針靠接電源的輸出端，接地環(huán)就近連接在裸露的地上，觀察輸出的波形

如下所示：

常見錯(cuò)誤的接法如下：

從下面兩幅實(shí)測的圖片可以看出，示波器接地夾的環(huán)路越大，測量的噪聲就會(huì)越大，而紋波的大小基本不變。接地環(huán)路太大會(huì)導(dǎo)致紋波和噪聲疊加后的Vpp完全超過所想測量的紋波電壓。

地線夾太長測試結(jié)果：

去掉接地夾，使用接地環(huán)測試：

從上面的結(jié)果也可以看出，如果測試方正確，開關(guān)電源內(nèi)部的噪聲的幅值其實(shí)不會(huì)超過紋波的幅值，如果測試方法不對，紋波的幅值將會(huì)被淹沒在噪聲中。

電源噪聲測試時(shí)，需要注意的事項(xiàng)如下： ?? 示波器使用AC耦合

?? 示波器帶寬不做限制? ?? 把示波器探頭的地夾線去掉，換上彈簧接地環(huán)，用探針靠接電源的輸出端，接地環(huán)就近連接在裸露的地上，觀察輸出的波形

所以，我的那位同事，如果他測試系統(tǒng)時(shí)關(guān)注紋波的話，帶寬應(yīng)該限制在20MHz，如果關(guān)注的是噪聲的話，帶寬不做限制是對的，但是使用了較長的引線這種接法是存在問題的。會(huì)測出單板上其他系統(tǒng)耦合過來的噪聲。

6.降低紋波和噪聲的方法 從上面對紋波和噪聲的來源分析，對降低紋波和噪聲的方法可以來源的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對性的改善。

 

比如，在降低紋波時(shí)，可以采取的措施有：

?? 增大開關(guān)頻率? ?? 降低電容ESR? ?? 增加輸出電容幅值? ?? 增大電感? ?? 不同容值的電容并聯(lián)? ?在降低噪聲時(shí)，可以采取的措施有： ?? 減小環(huán)路面積? ?? 動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好的芯片? ?? 優(yōu)化PCB布局走線? ?? 增加RC-snubber 吸收電路? ?? 高頻噪聲源和敏感源分區(qū)設(shè)計(jì)

以上內(nèi)容為這篇文章的全部內(nèi)容，總結(jié)一下，DC-DC變換器在測量電源紋波和電源噪聲時(shí)，要注意區(qū)分示波器帶寬和接地線使用，如果你在增大電感，其實(shí)是在降低紋波，如果你在減小環(huán)路面積，其實(shí)是在降低噪聲！當(dāng)然，任何一項(xiàng)優(yōu)化的好，電源輸出的質(zhì)量整體上也會(huì)不錯(cuò)。

 

參考文章：

1.? 《開關(guān)電源噪聲的形成及抑制方法》

2.? 《DCDC降低紋波噪聲的方法》

3.? 《電源紋波與噪聲測量問題探討》

4.? 《硬件測試之“電源紋波和噪聲測試”》

5.? 《理解輸出電壓紋波和噪聲：高頻噪聲分量的來源和抑制-模擬/電源》

作者：零下12度半， 來源：大話硬件 聲明：本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“大話硬件”公眾號(hào)。轉(zhuǎn)載僅為學(xué)習(xí)參考，不代表本號(hào)認(rèn)同其觀點(diǎn)，本號(hào)亦不對其內(nèi)容、文字、圖片承擔(dān)任何侵權(quán)責(zé)任。

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