1.紋波

紋波（ripple），最常見(jiàn)的定義是指，在直流電源上，不希望出現(xiàn)的交流電壓變動(dòng)量，一般是因?yàn)橹绷麟妷菏抢媒涣麟妷恨D(zhuǎn)換后產(chǎn)生，其中輸出電壓中的交流成分無(wú)法完全消除所造成。

即電源紋波是指在直流信號(hào)上的交流干擾信號(hào)，這個(gè)干擾信號(hào)波動(dòng)的頻率和開(kāi)關(guān)頻率相同。

典型的DC-DC電源輸出電壓波形如下：

上面的圖片來(lái)源于MP16xx芯片輸出電壓波形，從手冊(cè)中可以看出，波浪式的周期和開(kāi)關(guān)頻率一致。波浪的幅值即為紋波的峰峰值，所以，在測(cè)試DC-DC電源紋波時(shí)，比較關(guān)注的是輸出紋波Vpp。

2.噪聲

針對(duì)噪聲的定義比較豐富，但是對(duì)電源噪聲的定義我查了一些資料，目前其實(shí)對(duì)電源紋波和電源噪聲的定義沒(méi)有一個(gè)共同的協(xié)會(huì)制定。在《開(kāi)關(guān)電源噪聲的形成及抑制方法》這篇論文中，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)用于電子系統(tǒng)噪聲定義：

噪聲是指在電子電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有安排的信號(hào) ,這些信號(hào)通常由環(huán)境中自然因素或人為因素產(chǎn)生的電磁能量造成。影響電子電路正常工作的噪聲稱為“干擾”,而能產(chǎn)生一定能量的任何物質(zhì)都可以稱為“噪聲源”。

即電源噪聲可以理解為電源模塊工作在產(chǎn)品系統(tǒng)中，由系統(tǒng)內(nèi)部和外部“干擾”引起的非連續(xù)的，無(wú)規(guī)律的電壓或者電流尖峰。

接著剛剛MP16xx電源芯片的規(guī)格書(shū)，可以看到在輸出電壓波形上，箭頭1和箭頭2處的尖峰。從波形圖上可以看出：

1所示的尖峰，是SW由開(kāi)通向關(guān)斷轉(zhuǎn)變的時(shí)刻；

2所示的尖峰，是SW由關(guān)斷向開(kāi)通轉(zhuǎn)變的時(shí)刻；

再對(duì)比左右兩幅圖可以看出，左邊的1和2波動(dòng)尖峰比較大，右邊的1和2波動(dòng)的尖峰幅值較小。而造成這種區(qū)別的原因是負(fù)載電流不一樣。

3.紋波和噪聲

上面的內(nèi)容是把電壓紋波和電壓噪聲進(jìn)行了分開(kāi)定義和說(shuō)明，但是在實(shí)際測(cè)試的波形中，如果使用500mV/div的分辨率來(lái)看輸出電壓，看到的是穩(wěn)定的直流電壓，如果用5mV/div分分辨率來(lái)看輸出電源，看到的是既有開(kāi)關(guān)頻率的紋波，也有非連續(xù)，無(wú)規(guī)律的噪聲。

從上面可以圖看出，噪聲的幅值相對(duì)紋波要小。（不是絕對(duì)的，噪聲幅值完全可以比紋波大）

如果將紋波和噪聲進(jìn)行統(tǒng)一后，可以得到下面的結(jié)論：開(kāi)關(guān)電源輸出電源紋波和噪聲主要有四部分構(gòu)成，如下圖所示：

電源紋波，頻率和開(kāi)關(guān)頻率相同。

開(kāi)關(guān)噪聲，在SW開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)刻疊加在紋波上。

工頻噪聲，典型的為50Hz

隨機(jī)噪聲，非周期性的干擾

考慮到DC-DC變換器輸入電壓是DC，隨機(jī)噪聲無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量計(jì)算，DC-DC變換器在輸出電壓指標(biāo)測(cè)量時(shí)，主要以電源紋波和開(kāi)關(guān)噪聲為主。

綜上可知，紋波和噪聲的區(qū)別如下：

4.測(cè)試方法

電源紋波測(cè)試時(shí)，需要注意的事項(xiàng)如下：

示波器使用AC耦合

示波器帶寬限制20MHz

把示波器探頭的地夾線去掉，換上彈簧接地環(huán)，用探針靠接電源的輸出端，接地環(huán)就近連接在裸露的地上，觀察輸出的波形

如下所示：

常見(jiàn)錯(cuò)誤的接法如下：

從下面兩幅實(shí)測(cè)的圖片可以看出，示波器接地夾的環(huán)路越大，測(cè)量的噪聲就會(huì)越大，而紋波的大小基本不變。接地環(huán)路太大會(huì)導(dǎo)致紋波和噪聲疊加后的Vpp完全超過(guò)所想測(cè)量的紋波電壓。

地線夾太長(zhǎng)測(cè)試結(jié)果：

去掉接地夾，使用接地環(huán)測(cè)試：

從上面的結(jié)果也可以看出，如果測(cè)試方正確，開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的噪聲的幅值其實(shí)不會(huì)超過(guò)紋波的幅值，如果測(cè)試方法不對(duì)，紋波的幅值將會(huì)被淹沒(méi)在噪聲中。

電源噪聲測(cè)試時(shí)，需要注意的事項(xiàng)如下：

示波器使用AC耦合

示波器帶寬不做限制

把示波器探頭的地夾線去掉，換上彈簧接地環(huán)，用探針靠接電源的輸出端，接地環(huán)就近連接在裸露的地上，觀察輸出的波形

所以，我的那位同事，如果他測(cè)試系統(tǒng)時(shí)關(guān)注紋波的話，帶寬應(yīng)該限制在20MHz，如果關(guān)注的是噪聲的話，帶寬不做限制是對(duì)的，但是使用了較長(zhǎng)的引線這種接法是存在問(wèn)題的。會(huì)測(cè)出單板上其他系統(tǒng)耦合過(guò)來(lái)的噪聲。

5.降低紋波和噪聲的方法

從上面對(duì)紋波和噪聲的來(lái)源分析，對(duì)降低紋波和噪聲的方法可以來(lái)源的基礎(chǔ)上進(jìn)行針對(duì)性的改善。

比如，在降低紋波時(shí)，可以采取的措施有：

增大開(kāi)關(guān)頻率

降低電容ESR

增加輸出電容幅值

增大電感

不同容值的電容并聯(lián)

在降低噪聲時(shí)，可以采取的措施有：

減小環(huán)路面積

動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好的芯片

優(yōu)化PCB布局走線

增加RC-snubber 吸收電路

高頻噪聲源和敏感源分區(qū)設(shè)計(jì)

以上內(nèi)容為這篇文章的全部?jī)?nèi)容，總結(jié)一下，DC-DC變換器在測(cè)量電源紋波和電源噪聲時(shí)，要注意區(qū)分示波器帶寬和接地線使用，如果你在增大電感，其實(shí)是在降低紋波，如果你在減小環(huán)路面積，其實(shí)是在降低噪聲！當(dāng)然，任何一項(xiàng)優(yōu)化的好，電源輸出的質(zhì)量整體上也會(huì)不錯(cuò)。

審核編輯：劉清