关于直流电源纹波和噪声的测量的分析和介绍

Posted 2021-12-29 丘木木

电源纹波和噪声的定义PARD(periodicand random deviation)：

1、 电源纹波(Power Ripple)：

直流电压/电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量，用电压和电流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值（mVpp/mApp）来表示。

2、 电源噪声(Power Noise)：

开关管高速通断，使电压/电流急速变化而引起的高频噪声。

纹波和噪声是直流电平上的杂波信号，包含周期性与随机性两种成分。其中，周期性成分在直流电压上下轻微波动，就像水平面上波动的水纹一样，所以被称之为纹波。纹波的频率，通常由开关频率的基波和谐波组成。噪声主要由开关管导通或截止瞬间产生的高频脉冲引起，当然也有电源受到的外界电磁场辐射或传导干扰的影响。纹波和噪声无法避免，只能通过相应设计将其减少到合理程度，比如使用合适的滤波器来滤除。

纹波和噪声的害处：

1、降低电源效率；

2、使电子产品发热量增加，降低产品寿命；

3、较强的纹波可能引起浪涌电压或电流，导致用电器烧毁；

4、引起电子产品产生谐波，干扰电网中的其他设备正常工作；

5、干扰数字电路逻辑关系，影响电路正常工作；

6、带来噪声干扰，引起音频、视频设备产生噪音或画面不稳定。

纹波和噪声的来源：

1、低频纹波：

主要由50Hz工频及其谐波成分组成，幅值小，容易滤除，线性直流电源的纹波甚至可以做到1mVrms以下。

2、高频纹波：

主要来源于开关电路，开关管在导通和截止的过程中会产生高频干扰。同时，二极管在反向恢复瞬间，相当于一个电阻和电感的串联等效电路，引起谐振。高频变压器的漏感，也会产生高频干扰。高频纹波，幅值通常会比低频纹波大许多。

通常情况下，高频纹波的大小与开关电源的频率以及输出滤波器有关。频率越高、滤波器电感和电容值越大，输出纹波越小。

3、共模噪声

功率器件与散热器底板和变压器原边及副边之间存在寄生电容，导线也存在寄生电感。当电压作用于功率器件时，导致开关电源输出端产生共模噪声。

4、开关器件产生的纹波

开关管的导通和截止，会引起电感中的电流随着输出电流的有效值上下波动，故而在电源输出端能看到与开关频率一致的纹波。

5、调节控制环路引起的纹波和噪声

开关电源中的控制回路，并不是完全实时响应，有一定的响应时间，无法做到完全的线性调节。从而导致输出电压在瞬间会忽高忽低的变化，造成电源的振荡，产生纹波和噪声。

影响电源纹波和噪声测试精度的主要因素：

1、探头衰减系数

示波器有源探头或标配无源探头，一般都是10X衰减比例，和示波器连接后，最小垂直刻度会从1mV/div变成10mV/div。此时示波器的本底噪声会对小电压的纹波和噪声测量结果影响很大。故而在测量非常微弱的信号时，要求使用1X衰减比例的探头或无源传输线探头直接将信号引入示波器。

2、探头接地方式

示波器探头，有接地鳄鱼夹和接地弹簧针2种接地方式可以选择。接地鳄鱼夹由于使用方便，受到大多数工程师的青睐。但在测试电源纹波和噪声等微弱信号时，需要考虑地线回路对测量的影响。若地线过长或接地点与信号点离得太远，可能会引入高速芯片的近场EMI辐射噪声。

为减小探头在电源附近受电磁辐射的影响，有以下方法可以参考使用：

① 摘去示波器探头帽和接地鳄鱼夹；

② 使用接地弹簧针，并选择离信号点最近的接地点接地；

③ 在探头接入点并联小电解电容或瓷片电容；

此外，将示波器探头引线绕在铁芯上，以减小共模电流，此操作不会对差分电压测试有影响，但会降低由共模电流引起测量误差的共模电感。在隔离电源中，共模电流是由探头接地引线中的电流产生的。这使得电源地和示波器地之间产生电压降，表现为纹波。

3、示波器耦合方式、直流偏置范围

AC耦合方式

可以滤除被测信号的直流分量，示波器仅观察被测信号的交流分量；

可以配合更小的示波器垂直档位，观察电源纹波和噪声等交流分量的细节。

DC耦合方式和直流偏置范围

被测信号含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上观察；

可以同时观察0V电平与直流输出电平，但若需观察电源纹波和噪声的局部放大细节，则需要示波器有足够的电压偏置范围。

4、输入阻抗

一般而言，示波器无源探头大多数都是1MΩ以上的高阻输入阻抗，对应的示波器通道也需要设置1MΩ高阻输入。

当使用1X的传输线探头，示波器若设置为高阻输入，则会造成与同轴电缆的50Ω阻抗不匹配，引起电源噪声的反射，测量所得到的结果往往会大于50Ω示波器输入阻抗的真实测试结果。使用1X传输线探头时，示波器通道输入阻抗应当选择50Ω匹配阻抗。

由于示波器选择50Ω输入阻抗，耦合方式只能选择DC耦合。而示波器的偏置范围有限，故而对于输出电压较大的电源，还需要增加隔直电路。

5、示波器垂直档位（垂直灵敏度）

一般而言，示波器的最小垂直档位有2~4mV/div。市面上也有为了测量更小电压信号而设计的示波器，其垂直档位最小可以到1mV/div（如Rigol DS4000/6000系列），甚至500uV/div（如Rigol DS2000A系列）。

示波器可以通过调节合适的垂直档位，使波形整体呈现在屏幕上。Rigol示波器还支持垂直档位微调功能，在更小范围内进一步调整垂直档位，以改善ENOB（动态有效位）。如果输入的波形幅度在当前档位略大于满刻度，而使用下一档位波形显示的幅度又稍低，则可以使用微调改善波形显示幅度，方便观察信号细节。

垂直档位的调节范围与当前设置的探头比例有关。默认情况下，探头衰减比例为1X，垂直档位的调节范围为1 mV/div至5 V/div。若探头比衰减比例为10X，垂直档位的调节范围即调整为10mV/div至50V/div。

关于直流电源纹波和噪声的测量的分析和介绍

示波器在测试5V的直流电压时，要想观察到mV级的纹波电压变化细节，必然要将垂直档位尽量调到较小档位上进行测量。

而在1mV/div这么小的垂直档位上，示波器的动态范围仅±4-5mV（视示波器垂直档位格数而定）。5V电压对于±5mV的动态范围显然太大，无法在垂直格数仅8-10div的示波器上观察。故而需要使用AC耦合方式滤除直流分量，或者调节垂直偏置电压到5V，这样就可以观察到纹波和噪声的信号细节。一般而言，示波器很难调节到如此大的偏置电压，故而使用AC耦合方式居多。

6、带宽限制

由电源引起的纹波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，如100MHz/200MHz/250MHz。

7、测试环境

不同的测试环境，也可能会得到不同的测试结果。可以约定以下测试要求：

① 温湿度：室内，温度(20±5)℃，湿度小于80%；

② 尽量减少对测量有影响的机械震动及电磁干扰；

③ 测量仪器与待测电源放置在以上的测试环境下24h以上；

④ 测量仪器在进行正式测量之前，预热半小时以上。

8、其他因素

① 测试时，要求在加载状态下进行测量；

② 电源的负载要选择纯阻性负载，也可使用电子负载；

③ 负载拉载时，要使直流电源输出电流大于电源额定输出电流的80%以上；

④ 接线要尽可能短，以减少测量系统从外界引入的噪声影响。

影响测量结果的示波器重要参数

1、示波器带宽的选择

测试电源噪声时，需要考虑高频响应，这对选择示波器的带宽有相应的要求。带宽足够，则不会滤除电源噪声的高频谐波成分，但示波器带宽也并非越高越好。带宽过高的示波器由于其仪器本身的高频噪声的影响，会降低电源噪声的测量精度。

故而，在测量噪声时，会有带宽限制的选择。一般而言，PCB级的电源噪声测试，示波器带宽选择在500MHz即足够；更高频率的测试，属于芯片和封装设计范畴的电源完整性问题。

2、示波器存储深度和采样率的要求

工程师在选择数字示波器时，一般会关注采样率这个指标。而市面上大多数厂商的示波器产品采样率动辄1GSa/s以上，看似非常之高，但在实际使用时会发现5ms/div大时基下采样率急剧下降，这是因为忽略了存储深度对采样率的影响（详情参见表1，不同存储深度对开关电源DC 12V输出纹波和噪声测试结果的影响）。

常见开关电源的频率一般为200kHz左右，由于开关信号中常常存在工频调制的缘故，工程师至少需要捕获1个工频周期或半周期，甚至更多周期的波形。开关信号典型上升时间约100ns，若要保证精确重建波形，上升沿至少要有5个采样点，采样间隔要小于100ns/5=20ns，采样率即为50MSa/s。如需观察单个工频周期20ms的波形，那存储深度至少要1Mpts。

采样率（50MSa/s）× 采样时间（20ms）=存储深度（1Mpts）

如下TI公司的CSD95379Q3M功率 MOSFET 模块产品，开关频率可达2MHz，最小PWM上升时间40ns，对应的存储即为至少2.5Mpts。

3、示波器的本底噪声与量化误差

市面上绝大多数的数字示波器，ADC采样芯片均是8位，量化等级为256级。示波器ADC位数很难提高，主要是因为更高位数ADC的采样速度很难提高，难以覆盖高带宽、高采样率的用户需求。近年来，有厂商推出ADC位数在10位（由硬件实现）的示波器，也有通过增强软件算法实现位数达12位以上，但极其昂贵的价格让大多数用户望而却步！

工程师如何利用好现有示波器或者采用较为经济的方案，才是极为难得的干货！

示波器在不同垂直档位下的本底噪声不尽相同，这会对纹波和噪声的测量结果造成影响。对于待测信号而言，合适的垂直档位设置极为重要。示波器的最小档位一般为1-2mV/div（如Rigol DS6000/DS4000系列，DS2000A系列甚至可达500uV/div），测试时尽量选用更小的档位，以得到更为精确的测试结果。

当待测信号较小时，先将示波器垂直档位粗调到合适档位，再打开微调功能，使波形占据更多垂直刻度格数，但又不超出屏幕以外，这样可以提高示波器的动态有效位，使得电压测试更为精确。