電源紋波是電源設計中常見的考量參數，也是電力工程師常見的測試項目。本文將討論電源紋波產生的原因以及電源紋波測試的正確姿勢！ZLG示波器電源分析功能中有快捷測試輸出紋波的功能，設置好配置即可快捷得出輸出紋波參數，并支持導出報表。
什么是紋波和噪聲
紋波和噪聲是指在DC/DC的直流輸入和輸出電容器上出現的交流耦合電壓信號。典型的紋波與噪聲如圖1所示。
紋波：開關電源對電容充放電而產生的電壓波動，它具有較低的峰平均比，發生在基本開關頻率，通常被稱為均方根(RMS)噪聲。紋波因為表征的是輸入和輸出電容的充放電特征，所以在開關電源的最大負載時會達到最大。紋波電壓隨著輸入和輸出電容的增大而降低。
高頻噪聲：開關電源的開關過程中而產生的電壓毛刺，噪聲的重復頻率等同開關電源的開關基頻，但是噪聲峰值頻率要比開關基頻高的多。噪聲的幅值取決于開關電源的拓撲結構、電路的寄生電容電感、PCB布局等。
圖1 紋波與噪聲示意圖
紋波的類型
開關紋波：首先以降壓（buck）電路為例進行說明。降壓電路的開關器件以特定頻率導通或關斷。當器件開關時會產生與開關周期一致的開關紋波。開關紋波的頻率范圍通常為幾十kHz至幾MHz。如圖2所示。
圖2 開關紋波
高頻紋波：由于電路中寄生電感和電容的影響，實際中的開關電源還會隨著開關管的導通和截止瞬間產生高頻開關噪聲。開關噪聲的頻率高于開關頻率；其幅值與寄生參數和PCB布局有較大關聯。如圖3所示。
圖3 高頻紋波
負載變化引入的紋波：在某些應用場景中，負載電流會快速變化。電流的劇烈變化會導致輸出電壓的波動。如圖4所示。
圖4 負載變化引入的紋波
紋波的危害
·電源中攜帶的紋波會在電器上產生諧波，降低電源的使用效率；
·較高的紋波可能會產生浪涌電壓或電流，從而導致電氣設備運行不正常或加速設備老化；
·在數字電路中紋波會干擾電路邏輯關系；
·紋波還會給通信、測量和計量儀器、儀表帶來噪音干擾，破壞信號的正常測量、計量，甚至損壞設備。
電源紋波測試方案
示波器電源分析功能中有快捷測試輸出紋波的功能，設置好配置即可快捷得出輸出紋波參數，并支持導出報表。
測試步驟：
示波器與探頭連接示意圖如圖5所示。輸出端信號接入到示波器中，其中通道1接高壓差分探頭，通道2接電流探頭。（注意：若輸出電壓較大可選用高壓差分探頭，若輸出電壓較小使用普通探頭即可）
圖5 探頭與電路連接示意圖
調節好電流探頭和電壓探頭的探頭比率后，點擊【Auto Setup】一鍵捕獲波形信號， 波形信號以較好的效果顯示在屏幕上，若看到的信號為一條直線，可將信號的垂直檔位放大后看波形，因為輸出紋波信號幅度比較小。點擊【通道1】進入通道界面，將通道耦合方式改為【交流】。
點擊【Analyze】進入電源分析界面，功能選擇【輸出紋波】，點擊【參數配置】進入參數配置界面，如圖6所示。
圖6 輸出紋參數設置
·信號類型：有“電流”和“電壓”兩個選項，若接入電流探頭則測量電流信號的紋波，若接入電壓探頭則測量電壓信號的紋波；
·電流/電壓通道：探頭接入示波器的通道號；
·測試類型：測試類型有“紋波”和“噪聲”兩種，可測量紋波和噪聲的電流電壓情況；
·截止頻率：用來設置進行低通濾波的截止頻率，濾除高頻成分得到紋波的主要成分，包括頻率和幅值。該設置用于濾波計算中，選擇不同的截止頻率時，得到的結果也是不一樣的。故需要根據具體的使用環境，來調整該頻率，以獲得理想的紋波。
點擊【返回】即可查看到測量結果，如圖7所示。同時在屏幕上可以看到紫色的波形為濾除高頻噪聲后的紋波。濾除后的測量結果顯示在示波器左下角的表格中。測量結果表格中有 4個項目：
·紋波/噪聲電流：濾波后的電流有效值；
·最大峰值：濾波后的電流最大峰值；
·最小峰值：濾波后的電流最小峰值；
·頻率：濾波后信號的頻率。
圖7 輸出紋波測試結果
紋波噪聲的優化
·確認同軸線纜周圍是否有高頻元件及電感器件，調整同軸線纜，觀察測試結果，排除外界干擾；
·優化開關電源電路的輸入，輸出濾波電容搭配，大電容搭配小電容，一般是100：1的比例，因為負載運行過程會出現電流用量的頻繁變化，增大電容可以顯著減小紋波噪聲，但到一定程度后效果甚微，根據實際測試調整電容的比例；
·在滿足輸出電流前提下可加大電感量，電感量越大，輸出紋波會減小，但動態響應變差，根據實際測試情況調整電感量；
·優化輸出到反饋端的元件，減小串聯電阻，增大并聯電容，可以提高開關電源的動態響應，優化紋波噪聲；
·優化PCB的布局及走線，較長的走線，過孔都會引入較大的干擾，在走線中間，過孔處增加去耦電容；
·選擇動態響應比較好的功率變換器，可以優化重載下的紋波噪聲。
