【经验】电源的纹波和噪声如何理解？又如何测量呢？

时间： 2023-01-31 来源：歌瑞宇航公众号

随着电子技术、材料技术和工艺过程的不断发展，开关电源的频率和开关速度也在不断的提升，在使用开关型的DC/DC电源的时候，电源的纹波越发引人关注。但是测量DC/DC电源的纹波和噪声还没有一个行业标准。不同厂家的测试环境以及测试标准有一定差异，这导致很多人在测量时尤其迷惑。如果对纹波和噪声的理解不准确，便难以设计出高质量的开关电源。那么电源纹波和噪声是什么？又如何测量呢？本文中歌瑞宇航将为大家解析。

什么是纹波呢？主要来源是？

直流电源输出上叠加的与电源开关同频率的交流分量称为纹波。直流电源一般是由交流电经过整流、滤波、稳压等环节形成的，导致直流电源不可避免的携带一些交流成分。

开关电源的纹波主要来源是开关纹波，开关电源的开关器件以一定频率进行开通和关断，从而产生与开关同频率的纹波，即开关纹波。当前该频率范围从几十KHz到几MHz。

什么是噪声呢？主要来源是？

噪声主要是LDO电源内寄生效应的表现形式，表现为输出电压上的高频电压尖峰。这里的“噪声”是一个相对宽泛的指代，它包含多种成分，如设备的底部噪声、电磁耦合的噪声、power plane的谐振，同时也包含了电源自身的噪声。

它主要来源于PCB板上的元器件，随着元器件内驱动、接收开关的变化，电源网络上的电流也会随之变化，从而引起电压的波动。因此这一部分的噪声是电源噪声的主要来源。

纹波和噪声在精密测量仪器电源的一些特点，如下表：

典型LDO噪声频谱密度vs. 频率和V_OUT

歌瑞宇航用示波器实际测量一款开关电源芯片，更直观地理解开关电源的纹波、噪声。如下图所示，通道1（黄色）是开关电源的Vsw，通道2（蓝色）是开关电源的Vout。

图1.开关电源的Vsw和Vout

常规测量方法

一般情况下，歌瑞宇航使用示波器进行测量。基本的测量过程如下：

探头要选择合适的档位，如果电压比较大，或者对带宽要求比较高的情况下可使用X10档，普通情况下建议使用X1档，10:1的探头会把被测信号衰减10倍，然后示波器再对被测信号进行10倍放大，而此时示波器的本底噪声也被放大。大多数情况下使用X1档避免不必要的噪声影响纹波的测量。

因为测试环境中会有很多EMI（电磁干扰），示波器输入为高阻态，会将EMI信号引入测试结果，造成测量结果偏大。所以采用接地弹簧进行接地以便减小电磁干扰的引入。并且，探头应尽可能靠近输出电容放置，如下所示：

图2.示波器探头测试纹波

示波器的一些参数设置对测量结果也至关重要。

1.捕获模式。使用平均捕获模式，目的是保持原有的带宽，将噪声滤除有利于对信号进行测量。适用于观测周期性重复信号，其滤波效果提升了示波器的垂直分辨率。使得平均捕获特别适合执行谐波分析或电源质量分析。

2.平均值。平均捕获模式中需要采集N屏信号，将它们在触发位置对其，再做平均运算进行显示。这里N值暂且取8。

3.采样率。采样率过高会带来额外的噪声，应根据实际情况选择合适的采样率。

4.耦合方式。既然是交流分量，当然要选择交流耦合方式。

5.带宽限制。由电源引起的纹波和噪声频率通常都比较低，因而在进行电源纹波和噪声测量时，常常使用带宽限制功能，以隔离高频噪声对测试结果的影响。带宽限制的参数，大多数选择在20MHz；若要评估所有频段或部分频段上电源的噪声情况，则需要选择其他的限制带宽参数。

经过以上设置，可以进行测量了。

使用TTLAB-F100的测量方法

只需一根同轴线缆连接待测器件和示波器。对比实际的测试波形，更加显而易见：

图3.使用与未使用TTLAB-F100的测量对比

通道1（黄色）是未使用TTLAB-F100的测量结果，通道2（蓝色）是使用TTLAB-F100的测量结果。注意上图中通道1的幅值单位是20mV，通道2的幅值单位是1mV；那么，问题来了，如果两个通道的幅值单位都是1mV，波形是什么样呢？请看下图：

图4.相同幅值下的测量对比

通过示波器直接测量纹波，很难观察到真正的纹波；而通过搭配使用TTLAB-F100，测量者可以轻而易举的观察到真实纹波的波形，并且测量过程简单便捷。而对于噪声而言，示波器测量结果显得无能为力；而搭配使用TTLAB-F100进行噪声测量，过程变得再简单不过，只需将待测电源连接TTLAB-F100，将TTLAB-F100的噪声端口连接示波器，剩下的就是调节示波器使得波形易于观察。

使用TTLAB-F100噪声测量的优势小结：

避免了探头使用不当所引入的高频电磁干扰

避免了测量导线所引入的高频电磁干扰

示波器可以使用50Ω输入阻抗消除反射噪声

内置10Hz-10KHz/100KHz高精度低噪声滤波器用于噪声测量

(直接用示波器很难测到单纯的噪声）

内置10Hz~3MHz高精度低噪声滤波器用于纹波测量

实时动态测量，噪声Vs输出电压，噪声Vs输出电流

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