輸出電壓上的高頻噪音，一般是由于MOSFET輸出的開關電壓V-Phase的振鈴引起的，而振鈴主要是由于路徑上的寄生電感引起的。此外也會從探頭耦合進來，所以在測試時需要盡量減少探頭的耦合的干擾，這樣測試得到的結果才會比較可信。

本文試圖闡述開關電源設計與測試中的若干細節問題，這是一些比較容易被忽視的小細節。

一、紋波的測量

（一）、紋波的組成成分

電源性能的最直觀的表現是電源紋波，所謂電源的紋波就是指電源輸出電壓的波動。

如果是開關電源，輸出紋波是有規律的擺動，擺動的頻率等于開關頻率。紋波的形成是因為電流流過輸出電容在電容的ESR上所引起的壓降，開關電源中不斷地有脈動的電流流經電容，所以它的紋波的頻率等于開關頻率。

圖1、開關頻率為500KHZ的開關電源的輸出紋波

然后，細心的你還會發現，脈動的電壓波動上疊加了細細的“針針”，這是開關電源開關信號所引起的開關噪音。因此，準確地說，電源的輸出波動實際上有兩個部分組成，紋波與噪音。

圖2、電源的輸出波動的分解

前面已提及紋波的形成是因為脈動的電流流過輸出電容，然后在電容的ESR上所形成的壓降，所以要想消滅紋波是不可能的，只能是盡可能地去減小。

而疊加在紋波上的噪音卻是有機會得到改善的，在開關電源中，開關管引起的開關噪音會疊加到輸出電壓上，然后因為其頻率很多，很難被濾波器濾除，所以容易擴散至整個PCB板子，引起EMC問題。

關于開關噪音的改善，下文再詳細闡述。在想辦法解決問題之前，我們需要獲得準確的信息來作決策的依據，錯誤的信息輸入必將得到更加錯誤的決定。

（二）、如何正確地測量電源的輸出電壓的紋波？

為了敘述的方便，我們一般把輸出電壓的波動統稱為紋波，但是我們在內心深處必須時刻有一個根深蒂固的概念，我們在測試時實際上是為了獲取兩個信息：紋波電壓以及噪音。

紋波電壓的形成與脈動電流和電容的ESR相關，所以在測試時需要分別測試不同負載電流下的紋波電壓，這是基于不同的脈動電流的考量。最需要的注意的是不要人為地增加ESR，所以測試時需要在輸出電容的兩端就近測量，否則路徑會額外增加ESR值。

噪音的形成與開關路徑上的寄生電感相關，所以在測試時需要注意不能引進額外的寄生電感，否則測試所得的開關噪音會大于實際值。

圖3和圖4是兩種錯誤的紋波測量的方法，它們正確的地方是在電容兩端就近測量，錯誤在于引入或者說吸收了噪音，使得測試所得的結果偏離實際情況。

圖3、錯誤的紋波測量方法

圖4的錯誤很容易被忽視，就是在測試時必須移除多余閑置的探棒，避免人為地引入噪音。

圖4、在紋波測量時，請移除多余的閑置探棒

圖5、正確的紋波測量方法

正確測量紋波的姿態是使用紋波帽，如圖5示意，這樣可以保證測量路徑最短，引入的噪音最少。

圖6、簡易高效的紋波測量方法

如果，手頭條件有限，沒有紋波帽咋辦？其實很簡單，可以自制。在密集測量時，還可以使用圖6的方法，將自制的紋波帽直接焊到PCB板上。

（三）、如何優雅地測量電源的輸出電壓的紋波？

前文講了如何正確地測量紋波，為什么要這么做，這樣做的原理是什么，等等。很多事情算是老生常談了，相信多數人是知道的并且很熟悉的。

在這里，我想再提一個概念，優雅地測試。前面是談如何正確地測量。正確測量是一個技術問題，有具體的操作步驟和規范，而優雅是一個態度問題，很多時候你會發現兩個不同的人基于同樣的儀器和操作手冊卻得到了不同的測量結果。

圖7是測試人員在測試紋波時，探棒沒有“站直”，斜躺著，結果很不幸躺到了電感上，而電感是輻射源。在質疑其測量結果時，他還委屈，說采用了紋波帽，而且是就近測量的啊。后來，仔細觀察方才發現測量的姿勢有問題。

圖7、不同的測量姿勢，得到不同的結果

（四）、如何評估測量結果的正確性？

看了前文的敘述，你也許會很緊張，如何才能保證每一個測試的姿勢都是非常之優雅呢？是否每一項測試都需要親力親為呢？

其實是有很多小竅門去判斷測試結果是否可信的，在電源的測試中，會有很多小的子項目的測試，子項目之間實際上有關聯的，細心的你定能“火眼金睛”的看出報告里的貓膩。

繼續前文圖7的測試結果，開關噪音因為沒有被濾波器濾除有殘留，殘留被疊加到輸出電壓上形成噪音。所以，往前追溯很容易找到噪音的源頭，而圖7的測試報告里，發現由開關管輸入到電感的開關節點的電壓信號的過沖和下沖算是比較好的（如圖8），不可能造成那么大的輸出噪音，這是理直氣壯地質疑測試方法有問題的根據。

圖8、BUCK電路中，MOSFET與電感之間的開關節點（V_PHASE）的電壓波形

如果你是一位測試人員，在測試時需要做好自檢的工作，避免后續不必要的返工，以下思路供參考。

電感是一個很強的輻射源，開關噪音不但通過傳導也會以空間輻射的形式，往外散發。為了避免空間中輻射的噪音對測結果的誤導，可有以下兩個對策來應對。

1）、在測試時，探棒可嘗試不同的姿勢，選擇一個空間輻射對測試結果影響最小的姿勢。

2）、對測試結果的交叉驗證可以減少錯誤結果發生。輸出電壓上的開關噪音，實際上和V_PHASE是有對應關系的。

V_PHASE的邊沿振鈴一般難以被輸出濾波器處理掉，最終表現為輸出電壓上的開關噪音。如果輸出電壓上的開關噪音很大，但是V_PHASE的邊沿振鈴卻不明顯，則說明你所測試到的噪音很可能是來自空間中的輻射，此時可動一動探棒與PCB板子的夾角，努力將接收到的空間輻射降低到最小。

二、 電源噪音的處理

前文詳細闡述了紋波的組成、紋波及噪音的產生機理、如何正確地測量紋波、如何交叉驗證測試結果確保報告的可靠性等等。測試是為了發現問題，預警風險，包括已知的以及潛在的。如果是光測試而不解決問題等于是耍流氓。接下來，我們來談一談如何解決紋波相關的問題，以BUCK電路為例。

圖9、BUCK的原理模型

開關電源的LC濾波器幾乎是沒有降低紋波分量的能力的，因為紋波是脈動電流流過輸出電容，在電容的ESR上引起的壓降。所以，如果需要降低紋波電壓，就需要降低電容的ESR，可以選用LOW ESR的電容，也可以多個電容并聯來降低ESR。但是凡事都不是絕對的，如果紋波電壓已經可以符合負載的需求了，就不要去追求完美了，特別是使用疊加電容的手段來降低紋波，過大的輸出電容是有副作用的。

開關電源的LC濾波器對開關轉換時產生的邊沿噪音更是無能為力，開關噪音會產生更高頻的諧波，最大的惡果是對EMC性能造成負面影響。

開關噪音與開關波形V_PHASE的上升/下降時間以及路徑上的寄生電感息息相關，寄生電感的改善比較麻煩，與Layout設計相關，也和芯片的內部設計及性能相關。一般比較常采用的方法是降低開關信號的上升與下降時間，這樣做的副作用是增加了開關過程中的交越導通損耗，在一定程度上降低了電源的效率。

所以，優化輸出紋波及噪音性能實際上是在尋找一個平衡點，我們需要有全局意識，切不可為了某一個單項的指標而“不折手段”。

1）、 MOSFET外置的開關斜率調整

圖10、MOSFET外置，柵極串聯電阻調整開關斜率

如果開關電源的MOSFET是外置的，可嘗試用一個小電阻與柵極串聯，但這對開通和關斷電壓均有影響，如果MOSFET的關閉時間過長，則有上下管直通的風險。

因此，一般的原則是“打開慢一些，電流變化就會緩一些，由寄生電感產生的振鈴也就會小一些；關閉的時候利索一些，不能讓另一側的管子等待太久”。如果打開與關閉的斜率無法協調，不妨嘗試配置不同的柵極電阻，然后使用二極管進行隔離，如圖11。

圖11、MOSFET外置，柵極串聯電阻分別調整上升與下降斜率

2）、MOSFET內置的開關斜率調整

集成度高的DC-DC變換器已將MOSFET集成，所以我們無法通過柵極串電阻的方式來減緩開關斜率。在這種情況，如果上管是N-MOSFET的話，芯片會有一個ChargePump的管腳（BOOT）?？梢允褂靡粋€小電阻（通常為10~20歐姆）與驅動級（BOOT）的耦合電容串聯，這在一定程度上可以減緩開關的斜率，如圖12所示。

圖12、MOSFET集成，BOOT管腳串聯電阻調整開關斜率

3）、開關噪音的吸收

在設計中建議預留緩沖電路（Snubber）的位置，Snubber與下管MOSFET或者續流二極管并聯。

在Layout設計時，snubber電路需與下管MOSFET或續流二極管緊貼，避免過孔；

Snubber一般由R和C組合而成，可將電阻R放置于和地相連的那端，有助于散熱。

Snubber設計無明確的計算公式，因為板子的寄生參數及環境千差萬別，所以基本上是靠實際調試和逐步逼近。以下調試的套路，僅供參考：

圖13、Snubber的調試

1、測量未接Snubber電路時的振蕩信號周期（1/fo）;

2、將高頻電容（Co）跨接在要吸收的器件上，確定電容的值，減緩振蕩使周期是原來周期的三倍;

3、確定電容之后，與電容串聯的電阻可用以下公式大約估算：

有很多R和C的組合可以產生滿意的波形，但上述R和C的選值應該產生最小的損耗和最有效的效果。同時，避免Snubber電路對開關波形的損傷。

4）、攔截開關噪音

不管采用何種措施，開關噪音終究是無法回避的。為了減小系統的整體噪音，不得不采用圍追堵截的措施。

首先，在電源的“入口”阻擋（比如安放一粒100nF的旁路電容）；

然后，在電源系統的內部盡量減弱噪音（減緩開關斜率、安裝Snubber電路、減小寄生參數等）；

最后在“出口”處，盡可能做好攔截（增加LC或Bead-C濾波器）。