|
本篇文章主要分享电源纹波和电源噪声的区别，目录和结构如下：1.前言2.纹波3.噪声4.纹波和噪声5.测试方法6.如何降低纹波和噪声
整篇文章阅读预计8分钟。
1.前言
大三在技术二面CVTE时，面试官提出了一个问题，你们在学校是怎么测试纹波的？我记得那时候我的回答是，我们在实验室测纹波是用示波器探头加在输出端，耦合方式选为AC，带宽限制在20MHz进行测试。
面试官又问我，为什么要带宽限制在20MHz？以当时在大学的学习深度，没有想过这样的问题，所以这一问，答的并不好。
后来去CVTE实习，我看到他们在测试纹波时示波器前面有一块小板子，板子上有几个黄色的小电容，一端用金色的同轴电缆和示波器相连，另一端是和被测试的电源相接。
当时看到这套搭配非常好奇，怎么和在学校的方法有些区别呢？于是就向他们请教，这个地方单独接的小板子是干啥的？为什么不直接将示波器接在单板上面呢？他们当时给我的答案是：“用来滤波的”。
参加工作后，经常会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。
而就在前不久，工作中发生的一件事情，让我产生了写这篇文章的想法。
那天刚好看到同事在测试电源纹波，他用了一个很长的引线将电源输出接出来，然后接在示波器探头上，地线也用了很长的线接出来。我看到这个测试方式有些不对，就过去跟他说，你测试电源纹波的时候，这个引线太长了测试会不准确的，最好探头能靠近一些，然后带宽选在20MHz。
就在我尝试着去查看他示波器配置时，并调节带宽限制，那个同事跟我说，我在测试噪声，这个带宽要用全带宽。我说你不是测试电源的纹波吗？他说不是的，他们在测试这一路电源的噪声。
电源纹波和噪声到底有什么区别？怎么测量？我想用这篇文章来梳理一下。
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
所以，我的那位同事，如果他测试系统时关注纹波的话，带宽应该限制在20MHz，如果关注的是噪声的话，带宽不做限制是对的，但是使用了较长的引线这种接法是存在问题的。会测出单板上其他系统耦合过来的噪声。
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
以上内容为这篇文章的全部内容，总结一下，DC-DC变换器在测量电源纹波和电源噪声时，要注意区分示波器带宽和接地线使用，如果你在增大电感，其实是在降低纹波，如果你在减小环路面积，其实是在降低噪声！当然，任何一项优化的好，电源输出的质量整体上也会不错。
|
21
/6
工商网监
湘ICP备2023018690号
5043
淘帖
25
赞
回复
显身卡
