电源纹波的产生与测试

电源纹波是电源设计中常见的考量参数，也是电力工程师常见的测试项目。本文将讨论电源纹波的产生以及测试。注意，文中提到的“电源纹波”特指直流电源输出中的交流分量。由于直流输出中的交流电压未被完全抑制，直流电压呈周期性变化。

电源纹波

下面我们将详细描述各种类型的电源纹波。

来自开关电源的开关纹波

首先以降压（buck）电路为例进行说明。降压电路的开关器件以特定频率导通或关断。当器件开关时会产生与开关周期一致的开关纹波。开关纹波的频率范围通常为几十 kHz 至几 MHz （参见图 1）。

                                            图1: 降压电路中产生的开关纹波

来自开关电源的高频纹波

由于电路中寄生电感和电容的影响，实际中的开关电源还会随着开关管的导通和截止瞬间产生高频开关噪声（参见图2）。开关噪声的频率高于开关频率；其幅值与寄生参数和 PCB 布局有较大关联。

图 2：实际开关电源产生的高频开关噪声

负载变化引入的纹波

在某些应用场景中，负载电流会快速变化。电流的剧烈变化会导致输出电压的波动（参见图 3）。

图3: 负载跳变引起的输出电压波动

很多实际应用都对电源纹波有严格的要求。例如，射频 (RF) 电路、高速时钟和一些高速接口对开关纹波以及全带宽的纹波都有严格要求。

测量电源纹波

示波器是测量纹波最常用的仪器。选择示波器时有两个主要考量因素：

图4: 常见探头类型

下面将重点介绍如何通过电压探头和同轴电缆进行测试。

电压探头必须经过事先校准。无衰减 1倍探头的输入阻抗可以忽略。当示波器内部阻抗为1MΩ时，总输入阻抗也为1MΩ（参见图 5 ）。

图5: 1倍探头的阻抗特性

高阻抗 10倍探头的输入阻抗为 9MΩ，当示波器内部输入阻抗为 1MΩ时，总输入阻抗为 10MΩ（参见图 6 ）。如果采用 10 倍探头，信号通过阻抗匹配后有 10 倍的衰减；而衰减比越高，信噪比越低。由于纹波属于小信号，用1倍探头无需阻抗匹配，信号没有失真，会更加适合。

图6: 10倍探头的阻抗特性

测试方法也同样重要。示波器探头的地线就相当于一个小电感，它产生的失真振铃将会影响测试结果。通常我们建议采用最小环法进行测试。如果无法使用示波器的最小环，也可以用焊锡丝代替。测试时，探头应直接放在电容两端，以尽量减小测试电路（参见图7）。对于开关纹波测试，建议将示波器的带宽限制在 20mHz，以尽量降低测试技术和探头的影响。

图7: 直接放置在电容两端的探头

我们还建议测试开关纹波的累积值，用以验证电源的稳定性，并确保无振荡。有些负载对高频噪声有特殊的要求，需要在全带宽范围内进行测试。一般推荐使用同轴电缆进行测试。因为相比同轴电缆，最小环测试的接地阻抗和测试环路仍然偏大。

同轴电缆是有极性的。将同轴电缆焊接到输出电容的正负端可以产生更真实的波形（参见图8）。

图 8：将同轴电缆焊接到输出电容的正负端

对于需要在更高和更低温度下测试纹波的高可靠性产品，同轴电缆更加理想，它可以与为 IC 供电的设备放在一起，尤其是放在高温或低温箱中时，不会因缆线过长而导致测试结果失真。

结论

本文中回顾了测量电源纹波的基本方法，并探讨了如何使用电压探头和同轴电缆进行测试。对于要求严苛的开关模式设计、一般开关纹波应用以及需要在全带宽范围内提供适当纹波值的应用来说，电源纹波的产生与测试至关重要。