什么是电源纹波？如何测量电源纹波？

一、电源纹波概念

1.1 什么是纹波

电源纹波是指叠加在直流电源输出的电压或电流中的交流成分，是一种周期性的波动信号。好比平静的湖面有一阵风吹过，带起阵阵水波。这就是纹波的概念。

如下图示，使用示波器测量纹波时，上面的尖锐的毛刺就是电源噪声，而有规律的波动就是纹波。

电源纹波和噪声的对比如下表格所示：

在工程上，在对电源进行测试时，一般并不刻意地把纹波和噪声分开，测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰峰值表示。上述纹波的分类其实已经包含了噪声。

一般情况下，在测试过程中，我们测试DC/DC电源的输出为纹波测试，最远端芯片IC电源管脚的接收端为噪声测试。

由此我们知道，开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被"泵到"输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

1.2 纹波产生的原因

电源纹波产生的原因主要包括以下几个方面：

电源开关元件的开关行为：电源内部的开关元件（如变压器、整流器等）在工作时会发生周期性的开关行为，从而导致输出电压出现周期性的变化。这种开关行为引起的纹波称为开关纹波。
电源滤波元件的限制：电源滤波元件（如电容、电感等）用于消除或减小电源中的纹波。然而，由于滤波元件的特性和性能限制，无法完全消除纹波，导致一定程度的纹波存在。
电源输入信号的不稳定性：电源输入信号可能受到外部因素的影响，如电网的电压波动、线路噪声等。这些不稳定性会传递到电源输出中，导致纹波的产生。
负载变化引起的纹波：当负载发生变化时，电源必须调整输出电压以满足负载要求。这种调整过程可能引起输出电压的瞬时变化，从而产生纹波。

1.3 纹波的危害

纹波会给我们的电源带来什么样的危害呢？一般来说纹波是百害而无一利的，纹波的危害主要有以下几点：

功能干扰：电源纹波可以传播到其他电路中，干扰正常的信号传输和处理。这可能导致设备的功能受损或产生误操作。
噪声干扰：电源纹波中的交流成分可以被电子设备的敏感部件（如放大器、传感器等）捕获，并以噪声的形式表现出来。这会影响设备的性能和精度，尤其是在需要高精度的测量或信号处理应用中。严重的电源纹波甚至会损坏设备。
电磁干扰：电源纹波会通过电源线或地线辐射出去，可能引起电磁干扰。这可能影响附近的其他设备或系统的正常运行，甚至违反电磁兼容性（EMC）标准。
组件寿命缩短：电源纹波会引入额外的功率损耗（降低电源的使用效率）和热量，可能导致电子组件的工作温度升高。长期以来，这可能会缩短组件的寿命并增加故障的风险。

1.4 纹波的表示方法

电源纹波可以用有效值或者峰值来表示，或者使用绝对量、相对量来表示。一般情况下，公司会使用峰峰值，也就是压差（波峰波谷相减）的绝对值来表示，同时会比较相对量是否满足标准要求。

举个例子来说明下：假如我们使用DC/DC输出3.3V的电压，使用示波器有源探棒，调节端口为DC耦合（如果是无源探棒，则使用AC耦合，并调节偏置为3.3V），测试得到的纹波结果为±25mV（无源探棒测试结果对应为3.3V±25mV），那么我们可以说此DC/DC输出的纹波为50mV，这个是绝对量，而相对量即纹波系数 = 纹波电压/输出电压 = 50mV / 3.3V = 1.51%。

二、电源纹波的测量方法

1、首先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，避免不必要的噪声衰减影响纹波的测量。

10:1（X10）的探头，实际上是在探头端衰减了10倍，然后在示波器端放大10倍。

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别有利。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。

1:1（X1）探头的适合测试低频的，10:1（X10）适合测量高频的。

探头设置了X1档，相对应在示波器中需要设置比率为X1。反之设置X10，示波器也需X10。

2、纹波属于是交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信号的输入。

使用无源探头则AC耦合；如果使用有源探棒，调节端口为DC耦合。

有源探头和无源探头的区别https://www.bilibili.com/video/BV1wN4y197Wu/?vd_source=1f859d562939e879164b56f55a31f28d

3、可适当的使用“带宽限制”功能，可选择“20MHz”带宽限制。一般开关电源输出的纹波频率在0~20MHz范围，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。而高频同步开关噪声和信号反射等引起的噪声在0~1GHz范围。所以建议选择20MHz带宽限制，可将不必要的高频噪声滤除。

4、为避免电磁辐射等对信号的干扰，示波器探头接地线要求尽量短（测量回路也尽量短），通常使用探头自带的接地弹簧来接地，避免长接地线带来的不必要干扰。

5、触发方式可以选用边沿触发，触发模式可以在Auto/Normal状态下均可。另外，纹波测试一般以峰峰值来表示。

从测量中可以看到，本次电源纹波的峰峰值为18mV，纹波越小电源质量就越高。

一般地：

普通的数字I/O：电源的纹波噪声容限比较大，100mV左右都没问题;

继电器输出、光耦输出的电源：可容忍达100mV的纹波噪声;

工业通讯端口的供电：像RS-232、RS-485、CAN等总线型的电源，本身是数字信号，像RS-485、CAN还是差分形式传输，对电源的纹波噪声不那么敏感，电源的纹波噪声一般控制在75mV左右即可;

低速、低精度的数据采集系统：对精度和速度要求不高，纹波噪声控制在50mV一般都能满足数据采集的需求;

给低压CPU供电的电源：像类似于1.2V、0.8V的CPU供电系统，对电源的纹波噪声比较敏感，纹波噪声大时容易影响CPU的正常工作，甚至烧坏CPU，一般要求控制在30mV以内;

高速、高精度数据采集系统：对精度和速度都有较高要求，对电源的纹波噪声及其敏感，除要求电源的纹波噪声小外，还需选用一些高精度、共模抑制比大的运放来配合，电源的纹波噪声一般都需控制在10mV以内。

三、纹波的抑制方法

不管是哪种纹波，减小纹波最有效的方法一般有以下几种：

1、输出用π型电路滤波，LC滤波。

2、增大电容。对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容（用于高配滤波和减小ESR），来弥补铝电解电容的不足。同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。

3、增大电感。在满足输出电流的情况下，稍微加大电感量（一般来说电感量越大，输出纹波越小，但是对应的动态响应也会变差，而且电感量越大，输出的电流就越小）。

4、对于高精度仪器，可以在开关电源输出后接LDO滤波。但是成本高、功耗大。

5、提高开关电源的开关频率。

6、优化开关电源的布局布线。

噪声改善