1. 电源纹波电源纹波定义指叠加在直流电源输出上的周期性交流成分表现为电压或电流的规律性波动频率通常与电源开关频率或输入频率相关。产生原因主要由电源开关元件的周期性导通与截止、滤波元件的性能限制、输入电源波动或负载变化引起。特点波形相对规律如锯齿波或正弦波幅值一般较小通常在毫伏mV级别。影响可能干扰信号传输、降低电源效率、缩短电子元件寿命甚至导致设备误操作。1.1. 电源纹波测量带宽限制不可少20MHz带宽是行业通用标准避免高频噪声“污染”数据。接地线越短越好长地线会引入电感导致测量值虚高实测案例接地线从5cm缩短至1cm纹波值从50mV降至5mV。负载真实模拟空载或轻载时纹波较小需在额定负载下测试。采样率与触发设置时基调整至完整显示波形周期触发模式设为“自动”或“峰值捕获”。1.2. 电源纹波来源电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降输出电容的充放电寄生电感引起的电压突变1.3. 电源纹波抑制输出电压纹波由电感纹波电流和输出电容阻抗决定。要降低输出电压纹波可以通过降低电感电流纹波或者降低输出电容阻抗。当开关频率和电感值一定时 抑制纹波电压最有效的方式是减小输出电容在开关频率处的输出阻抗。若选择合适的电容仍然无法满足纹波的要求可以增加第二级LC 滤波器来进一步降低输出电压纹波。低频纹波抑制的几种常用的方法:加大输出低频滤波的电感电容参数使低频纹波降低到所需的指标。采用前馈控制方法降低低频纹波分量。2.高频纹波常用的方法有以下几种:提高开关电源工作频率以提高高频纹波频率有利于抑制。加大输出高频滤波器可以抑制输出高频纹波。采用多级滤波。综上所述理解输出电压纹波的形成原理根据实际应用要求针对性地优化电感值、开关频率以及输出电容可有效降低输出电压纹波满足应用需求。2. 电源噪声电源噪声定义指电源输出中存在的随机、非周期性的电压或电流波动包含高频成分频率范围较广从几赫兹到吉赫兹级别。产生原因包括开关电源自身的高频开关噪声、外界电磁干扰EMI、电路中的瞬态电流变化如芯片切换、总线传输、地弹groundbounce等。特点波形不规则表现为尖锐的毛刺或脉冲幅值可能较大对高频信号传输和敏感电路影响显著。影响可能导致数据丢包、通信干扰、图像或音频质量下降甚至使芯片工作异常。2.1. 电源噪声测量测试方法首选50 Ω 同轴直插SMA-SMA 或同轴夹地环路 ≈ 0次选有源差分探头2-4 GHz≤1 pF 输入电容通道耦合还是使用交流耦合带宽一般不做限制目的是为了获取最真实的情况测量时还是要使用接地环避免鳄鱼夹长长的地线引入无关的噪声测量的位置可以不固定。但是一般来说用电芯片引脚端位置的噪声测量才具有参考意义。2.2. 电源噪声来源1. 内部来源电源转换芯片自身特性稳压芯片或开关电源芯片在输出时存在固有波纹由芯片内部电路设计和制造工艺决定无法完全消除。负载瞬态电流变化负载如芯片、电路模块在快速切换工作状态时电流需求急剧变化。电源芯片响应速度有限无法实时调整输出电流导致电压波动产生噪声。电源路径和地路径阻抗PCB上的电源线和地线存在寄生电阻、电感瞬态电流流经时会产生压降使负载端电压波动形成电源噪声。元器件非线性特性电感、电容、变压器等储能元件在高频工作下可能表现出非线性导致波形失真产生谐波噪声。二极管反向恢复噪声整流或续流二极管在从正向导通转为反向截止时因PN结存储电荷会产生短暂的反向恢复电流引发尖峰电压和高频噪声。2. 外部来源电网干扰电网中的谐波电流、电压波动、相位噪声等通过电源线耦合到设备内部引入噪声。电磁辐射干扰外部电磁场如无线电波、雷达信号、其他设备的辐射通过电源线或空间耦合进入设备被误认为是电源噪声。雷击或浪涌雷击产生的瞬态过电压或电网切换产生的瞬态电压尖峰通过电源线耦合到设备造成破坏性干扰。电源噪声通常高于 5MHz甚至可达 GHz 级别。2.3. 电源噪声抑制选择寄生电容较小的电感理想电感对高频噪声呈现很大的阻抗因此输出电压中的噪声很小。但是实际电感存在寄生电容噪声会通过耦合电容耦合到输出电压。因此选择耦合电容较小的电感在一定程度上可抑制输出电压噪声。2. 并联高频滤波电容直观地理解输出电压噪声等于SW噪声在输出电容阻抗和输出电感阻抗的分压。也就是说输出电容在噪声频率处的阻抗越小耦合到输出的噪声就越小。但是多个电容并联后输出电容的阻抗曲线会存在多个谐振点。如图7所示增加高频电容后在谐振点处阻抗最小; 谐振点之前阻抗变大; 谐振点之后阻抗变小。因此并非增加高频电容就一定能减小输出噪声。噪声频率位于谐振点处输出噪声最小。增加220pF的电容电压噪声反而增加了。因此选择合适的输出电容至关重要。综上所述理解输出电压噪声的形成原理根据实际应用要求选择先进的封装技术/电源模块产品、优化PCB布局、增加滤波电容可有效降低输出电压噪声满足应用需求。3. 电源纹波和噪声对比对比维度电源纹波电源噪声基本定义直流输出电压上叠加的周期性、低频交流分量与电源开关/工频频率同步直流输出电压上叠加的非周期性、高频随机干扰毛刺频率特性频率固定多为100Hz~数MHz工频/电源开关频率频率范围宽数MHz~GHz无固定频率波形特征波形规则呈正弦波、三角波、锯齿波周期性重复波形杂乱为尖峰、振铃、随机毛刺无规律产生来源整流滤波不彻底、DC-DC开关充放电、PWM调制、电容滤波残留开关管瞬态di/dt、dv/dt、PCB寄生参数、地线反弹、EMI干扰、电路串扰幅值范围常规10mV~100mV整机供电要求更低多为μV级~数十mV高频毛刺幅值相对更小测试规范AC耦合、20MHz带宽限制、1X探头、短地线测试AC耦合、全带宽、1X探头/接地环捕捉高频毛刺对整机影响导致电路精度下降、ADC/DAC采样误差、时钟抖动、音频底噪引发EMI/EMC超标、信号完整性变差、敏感芯片误动作、整机死机重启核心抑制方式加大低ESR滤波电容、LC/π型滤波电路、优化PWM控制优化PCB布局布线、加高频MLCC电容、磁珠/共模电感、完善接地屏蔽本质区别规律性低频能量波动随机性高频电磁干扰