电源纹波和电源噪声

Posted 2022-03-03 bobuddy

测试电源纹波和噪声，在视频图像中，给Sensor的电源如果纹波超过Sensor要求，图像上就会有抖动的横纹。在FPGA系统中，电源纹波波动超过100mV，BANK的工作可能会受到影响。

DDR的电源如果纹波不满足要求，数据的采样和传输可能出现错误。

所以，电源的纹波是单板开发中必须关注的一个指标，在原理图，器件的选型，PCB的布局走线都会融入尽可能降低电源纹波这样的设计理念。

2.纹波

纹波（ripple），最常见的定义是指，在直流电源上，不希望出现的交流电压变动量，一般是因为直流电压是利用交流电压转换后产生，其中输出电压中的交流成分无法完全消除所造成。（来源于维基百科）

即电源纹波是指在直流信号上的交流干扰信号，这个干扰信号波动的频率和开关频率相同。

典型的DC-DC电源输出电压波形如下：

上面的图片来源于MP16xx芯片输出电压波形，从手册中可以看出，波浪式的周期和开关频率一致。波浪的幅值即为纹波的峰峰值，所以，在测试DC-DC电源纹波时，比较关注的是输出纹波Vpp。
 

3.噪声

针对噪声的定义比较丰富，但是对电源噪声的定义我查了一些资料，目前其实对电源纹波和电源噪声的定义没有一个共同的协会制定。在《开关电源噪声的形成及抑制方法》这篇论文中，发现了一个用于电子系统噪声定义：

噪声是指在电子电路设计中没有安排的信号 ,这些信号通常由环境中自然因素或人为因素产生的电磁能量造成。影响电子电路正常工作的噪声称为“干扰”,而能产生一定能量的任何物质都可以称为“噪声源”。

即电源噪声可以理解为电源模块工作在产品系统中，由系统内部和外部“干扰”引起的非连续的，无规律的电压或者电流尖峰。

接着刚刚MP16xx电源芯片的规格书，可以看到在输出电压波形上，箭头1和箭头2处的尖峰。从波形图上可以看出：

1所示的尖峰，是SW由开通向关断转变的时刻；

2所示的尖峰，是SW由关断向开通转变的时刻；

再对比左右两幅图可以看出，左边的1和2波动尖峰比较大，右边的1和2波动的尖峰幅值较小。而造成这种区别的原因是负载电流不一样。

4.纹波和噪声

上面的内容是把电压纹波和电压噪声进行了分开定义和说明，但是在实际测试的波形中，如果使用500mV/div的分辨率来看输出电压，看到的是稳定的直流电压，如果用5mV/div分分辨率来看输出电源，看到的是既有开关频率的纹波，也有非连续，无规律的噪声。

从上面可以图看出，噪声的幅值相对纹波要小。（不是绝对的，噪声幅值完全可以比纹波大）

如果将纹波和噪声进行统一后，可以得到下面的结论：开关电源输出电源纹波和噪声主要有四部分构成，如下图所示：

• 电源纹波，频率和开关频率相同。

• 开关噪声，在SW开通和关断的时刻叠加在纹波上。

• 工频噪声，典型的为50Hz

• 随机噪声，非周期性的干扰

考虑到DC-DC变换器输入电压是DC，随机噪声无法进行准确的测量计算，DC-DC变换器在输出电压指标测量时，主要以电源纹波和开关噪声为主。

综上可知，纹波和噪声的区别如下：

指标	频率特性	产生原因
纹波	开关频率相同，几百K~几MHz	斩波电源固有属性，电流对负载电容充放电
噪声	频率不固定，非周期，非连续，几十MHz以上	寄生电阻，电感，电容及开关开通和关断引起（di/dt）所导致

5.测试方法

电源纹波测试时，需要注意的事项如下：

• 示波器使用AC耦合

• 示波器带宽限制20MHz

• 把示波器探头的地夹线去掉，换上弹簧接地环，用探针靠接电源的输出端，接地环就近连接在裸露的地上，观察输出的波形

如下所示：

常见错误的接法如下：

从下面两幅实测的图片可以看出，示波器接地夹的环路越大，测量的噪声就会越大，而纹波的大小基本不变。接地环路太大会导致纹波和噪声叠加后的Vpp完全超过所想测量的纹波电压。

地线夹太长测试结果：

去掉接地夹，使用接地环测试：

从上面的结果也可以看出，如果测试方正确，开关电源内部的噪声的幅值其实不会超过纹波的幅值，如果测试方法不对，纹波的幅值将会被淹没在噪声中。

电源噪声测试时，需要注意的事项如下：

• 示波器使用AC耦合

• 示波器带宽不做限制

• 把示波器探头的地夹线去掉，换上弹簧接地环，用探针靠接电源的输出端，接地环就近连接在裸露的地上，观察输出的波形

6.降低纹波和噪声的方法

从上面对纹波和噪声的来源分析，对降低纹波和噪声的方法可以来源的基础上进行针对性的改善。

比如，在降低纹波时，可以采取的措施有：

• 增大开关频率

• 降低电容ESR

• 增加输出电容幅值

• 增大电感

• 不同容值的电容并联

在降低噪声时，可以采取的措施有：

• 减小环路面积

• 动态响应更好的芯片

• 优化PCB布局走线

• 增加RC-snubber 吸收电路

• 高频噪声源和敏感源分区设计