为什么电源纹波测试过大？解析电源纹波测试的正确方法

电源纹波测试问题

某用户使用500MHz带宽的示波器对开关电源输出5V信号的纹波进行测试时，发现纹波和噪声的峰峰值达到了900多mV（如下图所示），而其开关电源标称的纹波的峰峰值<20mv。虽然用户电路板上后级还有LDO对开关电源的这个输出再进行稳压，但用户认为测得的这个结果过大，不太可信，希望找出问题所在。

电源纹波测试

电源纹波测试过大的问题通常和使用的示波器探头以及前端的连接方式有关。

首先检查了用户探头的连接方式，发现其使用的是如下面左图所示的长的鳄鱼夹地线，而且接地点夹在了单板的固定螺钉上，整个地环路比较大。由于大的地环路会引入更多的开关电源造成的空间电磁辐射噪声以及地环路噪声，于是更换成如下面右图所示的短的接地弹簧针。

经过实际测试，发现测得的纹波噪声的峰峰值有很大改善，如下图所示。

但纹波噪声的峰峰值仍然有40多mV，和开关电源厂商标称的<20mV仍有较大差异。

进一步检查用户使用的探头的型号，发现用户使用的是示波器标配的10:1的无源探头。如下图所示。

10:1的示波器探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。 如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。于是另外找了一个1:1无源探头，这种1:1的无源探头虽然带宽不高（通常几十MHz），但衰减比小，对于小信号测试非常合适。

下图是换用1:1的无源探头后，和10:1探头在不同带宽限制下的对比测试结果。可以看到，使用1:1探头并设置20MHz带宽限制后，测量到的纹波噪声的峰峰值只有不到10mV，远远好过10:1探头的测试结果。从1:1探头的测试结果里可以看到清晰的纹波的波形，并且满足用户对于电源纹波噪声<20mV的预期。另外，我们也可以看到，带宽限制对于噪声峰峰值也有一定的改善作用。

如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以参考下图用50欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为50欧姆输入阻抗；电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。

电源纹波测试问题总结

这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得电源纹波结果大大改善。一般来说，影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个：

1、前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。

2、探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用1:1衰减比的探头。

3、带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。

4、 测量量程：通常会在小量程档下（比如10mv/格或20mv/格）进行电源纹波测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的AC耦合功能把直流隔离掉再进行电源纹波。

5、输入阻抗：很多示波器有50欧姆和1M欧姆的输入阻抗选择，通常50欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到1M欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为50欧姆输入阻抗。

干净的电源是数字电路稳定工作的前提。下面我们将介绍电源纹波测试的注意事项与调试技巧。首先我們瞭解一下电源纹波的定义。

什么是纹波？

开关电源的输出并不是真正恒定的，输出存在着周期性的抖动，这些抖动看上去就和水纹一样，称为纹波。纹波可以是电压波纹或电流纹波。

电源纹波

低频纹波：来自AC输入的周期，电源对输入的抑制比不是完美的，当输入变化，输出也会变化。

高频纹波：来自开关切换的周期，开关电源不是线性连续输出能量，而是将能量组成一个个包来传输，因此会存在和开关周期对应的纹波。

纹波和噪声的区别

纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动，而噪声是随机耦合到输出上的高频信号，是不一样的。

纹波和噪声的区别

由于纹波的影响，使得输出的峰值比平均值高，这可能会损坏负载。

什么是电源纹波？

电源纹波指标是开关电源模块一项很重要的参数。电源纹波可以理解为电源模块包括VRM的输出电压的波动，和复杂的供电网络无关，或者说是电源输出的源端的电压的波动。

通常电源纹波频率由MOSFET切换频率决定，在几百KHz到MHz级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十MHz到百MHz左右，而SSN噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达GHz级别，比如DDR4总线切换频率可能达2GHz左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。

干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声进行测量。传统上，工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。

以DDR4规范JESD79-4A为例，VDDQ_DC值仅为1.2V，而DQVref相关参数值均有严格的范围：

表1.DDR4标准中DQ内部Vref规范表

事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一，电源纹波测试是电源完整性的一个重要方面。

电源纹波的产生

我们常见的电源有线性电源和开关电源，它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净，直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号，这就产生了纹波。

通常电源纹波频率由MOSFET切换频率决定，在几百KHz到MHz级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十MHz到百MHz左右，而SSN噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达GHz级别，比如DDR4总线切换频率可能达2GHz左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。(MOSFET指金属氧化物半导体场效应晶体管。它是具有MOS结构的场效应晶体管。通常而言,MOSFET是一个三引脚器件,分别是栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。)

干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源纹波和电源噪声进行测量。

传统上，工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。

以DDR4规范JESD79-4A为例，VDDQ_DC值仅为1.2V，而DQVref相关参数值均有严格的范围：

表1.DDR4标准中DQ内部Vref规范表

电源纹波噪声的危害和抑制

纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号，周期和振幅随着时间不断变化，并且不同电源的纹波也各不相同。但是一般来说纹波是有百害而无一利的。

电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率。而高频纹波噪声还可能产生浪涌，导致电气设备非正常运行，加速设备老化。在数字电路中，纹波会干扰电路的逻辑关系，给通信、测试和计量带来噪声干扰，影响信号的正常测量，甚至损坏设备。

事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一，电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。

电源纹波测试调试技巧

1.选择恰当的示波器带宽。

测试电源纹波可以将示波器硬件带宽限制到20MHz。主要是为了避免数字电路的高频噪声影响纹波的测量，尽量保证测量的准确性。如果开关频率较高，也可以考虑设置示波器硬件带宽为200MHz。KEYSIGHT S系列示波器内置了两档硬件带宽限制即20MHz和200MHz。内置的数学运算(Math-Low Pass Filter)还支持灵活的软件数字带宽限制。

示波器带宽

示波器带宽决定因素：由前端放大器等模拟器件的特性决定

示波器带宽参数定义：放大器增益下降到-3dB对应的频点称为带宽

2.调节示波器的垂直刻度尽量将波形展开占屏幕垂直6-7格。

比如测试10mV级的纹波和噪声，可以调节垂直刻度到1.5mV/Div，S系列示波器每个通道都有专用的垂直刻度调节旋钮，该旋钮支持按压在粗调和微调之间切换。采用这一设置的目的是尽量用足示波器ADC的显示线性范围。

3.设置示波器的波形采集或捕获方式为12bit高分辨率模式。

高分辨率模式(High Resolu tion Mode)相对一般采样模式(Sampling Mode)主要是将若干个采样点组成一组做平均，将这个平均值作为采样结果保存到采样存储器中，因此这是示波器的显示采样率会下降。这种平均类似滤波的效果，可以有效降低示波器的噪声。 鉴于纹波的重复性特征，还可以采用平均模式(Average)以获得更佳的测试和测量结果。必须说明的是，采用高分辨率模式时会降低示波器的数字带宽。因此在测试高频噪声和干扰时不建议采用高分辨率模式。

4.最后一点比较重要的就是示波器探头接地线应尽量短。

以免接地线耦合其它干扰和噪声。长地线的寄生电感还会降低测试带宽。因此在N7023A的三种灵活测试组合中，采用探头针尖直接点测和短弹簧地针的组合效果最佳，当然采用双列直插连接和贴片器件夹的组合具有更佳的连接和测试方便性，因此有时需要在测试精度和连接方便性之间进行平衡。

以上描述了推荐进行精确电源纹波测试和噪声测试的示波器和探头组合以及测试中的一些小技巧，这些是得到真实测量结果的基础和保证。在得到期望的波形后，又该如何进行电源纹波分析呢？

电源信号测试分析实例

通常情况下，可以采用直方图统计和进行简单的FFT频谱分析：

直方图统计和FFT频谱分析

直方图统计可以观察得到纹波在数值上的分布情况，而FFT频谱分析则可以从频域角度去对电源纹波和噪声的本质进行深层次的观察。如上图示，通过对信号进行FFT运算立刻可以发现此电源噪声频率为1.71GHz。

如果对信号进行FFT分析后，发现多种频率源的干扰，又该如何分别进行定位和量化呢？

以下图为例，黄色CH1波形是测得的3.3V的电源信号，f2是采用HorzGateing函数运算得到的一段水平放大波形。对CH1信号进行FFT运算可以看到其频谱中包含2.8M开关频率及其谐波分量和来自于10MHz时钟的干扰。如果测试得到的纹波结果超过系统容许值，那么该如何改进呢？显然，2.8MHz的开关频率是已经选定的开关电源带来的，而10MHz的时钟干扰是外来干扰，比较容易通过重新布线或其它方法去除。因此我们现在就需要对10MHz的时钟干扰耦合进来的电源噪声数值进行定量分析。

电源信号测试分析实例(1)

因此将10MHz时钟信号接入到CH2，并设置触发源为CH2。那么其它干扰源耦合到电源上的噪声因为与10MHz时钟无关具有随机性。设置示波器的采集模式为平均，比如1024次平均，随机信号就被滤除掉。这时就可以清晰的辨别出3.3V电源信号上因为10MHz时钟产生的噪声和干扰的幅度。如下图示:

电源信号测试分析实例(2)

示波器本底噪声的重要性

为什么示波器本底噪声在高精源度的电纹波测试中如此重要呢？

探头和示波器前端噪声引入的测量误差

如上图所示，被测信号在耦合探头和示波器前端的噪声后最终在示波器上显示的波形也许与原始形状发生很大的变化，也就是说由于测量系统的原因带来很大的测试误差。如果发生这种情况，显然测量工作反而会带来严重的误导！

10:1与1:1示波器探头的差异

另外进行电源纹波测试推荐采用衰减比为1:1的示波器探头，因为1:1衰减比的探头对信号没有衰减那么在示波器里也不会再进行放大，因此不会放大示波器前端的本底噪声。

10:1的探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。 如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波测试应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。

如下图示，采用最常见的10:1衰减探头信号噪声明显偏大，另外如果示波器本身的垂直刻度最小可设置为1mV/Div，那么采用10:1探头则垂直刻度会自动设置为10mV/Div，如果想测试10mV级别的纹波或噪声显然精度是无法保证的，而采用1:1探头时垂直刻度则依然可以最小设置到1mV/Div。

10:1与1:1示波器探头的差异

可见，选择一款高精度的示波器和探头系统组合是多么重要！

S204A实测30MHz 1mV正弦波效果图

DSOS204A S系列示波器其本底噪声指标如下表：

S204A本底噪声数值

DSOS204A S系列示波器配备2GHz存储器、15英寸XGA电容触摸屏和10位模数转换器。  

N7020A探头和N7021A探头焊接前端示意图

其次推荐一款专用的电源纹波测试和噪声测试探头—N7020A。该探头具有最高2GHz带宽，衰减比1:1左右，探头本身可设置±24V垂直偏移，且其本身阻抗为50KΩ@DC。

N7020A电源探头

N7020A电源探头为电源完整性测量而设计，具有mV级别的灵敏度，可以让用户更精确地探测直流电源上的噪声、纹波和瞬态。该探头非常适合测量随机和周期干扰（PARD）、静态和动态负载响应、可编程电源响应以及类似的电源完整性测量。

采用N7021A焊接电缆时N7020A示波器探头带宽可达2GHz确保可以支持测试到2GHz电源噪声，是目前业界最高带宽的电源纹波测试和噪声测试探头。±24V垂直偏移设置可以在测试时可以直接在示波器里设置Offset值到电源直流值，然后再调节示波器的垂直刻度到mV级以进行10mV量级的纹波和噪声测试。过去为了测试直流分量上的纹波或噪声小信号通常不得不在示波器上设置AC耦合方式，但是AC耦合在滤除直流分量的同时也会将低频噪声和漂移也滤除掉。50KΩ的DC阻抗则确保探头对电源分配网络(PDN)足够高阻，以免探头在介入电路探测时分压从而降低测量值。

N7020A探头除了提供高达2GHz带宽的N7021A焊接连接方式外，还提供了方便灵活的N7023A探头附件如下图示:

该附件组件提供了多种灵活的连接方式，如传统的探头针尖和短弹簧地针点测，以及双列直插连接和贴片器件夹，分别如下图左中右所示。经实际工程检验贴片器件夹最小可0201封装贴片器件。

N7023A电源点探测头探测前端实际操作示意图