深入了解电源纹波和噪声原理和测试方案

1. 电源纹波

1. 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。
2. 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。
3. 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

1. 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。
2. 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）。
3. 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。
4. 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

1. 电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降

2. 输出电容的充放电

3. 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。

1. 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

1. 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。
2. 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。
3. 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）

1. 通道耦合还是使用交流耦合；
2. 带宽一般不做限制，目的是为了获取最真实的情况；
3. 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；
4. 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

1. 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