深入理解电源纹波与噪声并正确测量简述_纹波噪声

前言

板级电源系统又称电源分配网络（Power Delivery Network，PDN），我们可以将此系统分为稳压模块端（VRM）与用电芯片端（Sink）。电源的AC特性主要包括电源纹波与噪声，我们通常将两者混为一谈，其实纹波与噪声是有区别的，二者的产生原因与解决策略迥异。

• 纹波
  纹波是由直流稳压电源的电压波动造成的一种现象，数字电路中纹波的产生有两种原因：1）因为直流稳压电源一般是交流电源经整流稳压等环节形成的，这就不可避免地在直流稳定量中带来一些交流成分；2）DC-DC电源的开关断开与闭合将造成输出直流电压的上下起伏，从而产生与开关频率相同的交流成分。这些叠加在直流稳定量上的交流分量统称为纹波。
• 噪声
  电源噪声是电磁干扰的一种

纹波与噪声会影响系统的工作，瞬时电压过大可能会导致后端芯片的工作异常，降低电源效率，甚至烧毁芯片。因此测量电源的纹波与噪声，并采用相应的措施抑制纹波与噪声对数字电路显得尤为重要。

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一、电源的纹波与噪声

开关电源的纹波与噪声主要包括：高频周期变量（纹波）、低频周期变量（纹波）、随机变量（噪声）。

噪声相较于纹波频率要大很多

1. 高频周期变量（纹波）

DC-DC芯片高速开关引起的噪声。

如上图所示，开关的高速开启与闭合将导致开关电源输出电压的忽高忽低，此时将产生与开关频率相同的电源纹波。这部分频率通常是几十到几百KHz，也被称为高频分量（测量使用20MHz带宽即可）。

2. 低频周期变量（纹波）

电源自身噪声。交流电压经整流后，直流稳定电压中带有的低频交流成分。

直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压等环节而形成的，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为低频周期纹波（100Hz）。

3. 随机变量（噪声）

空间的电磁干扰（高频）

在纹波的测量中通常还会测到一部分不属于纹波的高频干扰，被叫做噪声。也就是外部的电磁干扰、寄生电容电感的震荡以及开关产生的尖刺信号等，该噪声通常是MHz级别。

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二、纹波的测量

1. 探头接地方式

• 鳄鱼夹地线
  使用鳄鱼夹接地的示波器探头，将会形成一个巨大的天线接收器，吸收周围环境中的电磁干扰，造成电压纹波测试偏大。

• 接地环/弹簧地线
  使用接地环接在探头顶部的同轴电缆上，降低电磁干扰的面积，使得电压纹波的测试更为准确。
  

2. 示波器测量带宽的选择

• 20M
  通常开关电源的反馈环路速度并不高，20MHz的频率已经超过了电源的可调范围。因此使用示波器测量电源的纹波时，需要对示波器的带宽进行限制，不然测出的纹波就会偏高。
  测纹波，带宽过大会引入高频干扰，导致测量的纹波变大

• 200M
  测噪声

3. 示波器的输入阻抗

• 50Ω
  配合同轴电缆或者有源探头使用。
• 1MΩ
  高阻抗与10:1、1:1探头配合，可以使测量更为准确。

4. 测量探头的选择

4.1 示波器探头

• 10:1 无源电压探头
  • 衰减比：10:1
    探头端有一个9MΩ的电阻，示波器端有一个1MΩ的电阻，所有测量的电压都经过这两个电阻进行分压，所以该探头能测量的电压范围就比较宽。
    但使用该探头进行比较小的电源纹波测量时可能会导致较大的纹波噪声，例如测量20mV的纹波，进入示波器的电压为2mv，同时1MΩ电阻上也会有一个近似1mv的底噪，因此3mV乘于10后将显示为30mV，从而导致纹波变大。
• 4:1 无源电压探头
  测量误差比10:1探头误差小一些。
• 1:1 无源电压探头
  推荐使用1:1的探头，它有10:1探头的高阻抗（1MΩ），且可以做AC耦合，同时也拥有BNC线缆的低噪。

4.2 BNC线

• 衰减比：1:1
• 缺点：根据传输线理论，在使用BNC线缆时示波器必须使用50欧姆的阻抗匹配，负载效应较大（探头本身有阻抗-200欧姆），使得测量的纹波比实际的偏小；所有示波器在50欧姆的阻抗匹配下不能做AC耦合。

4.3 底噪对比

5. 耦合方式

推荐使用交流耦合方式来进行噪声的测量

• 交流
  可直接测量电源噪声
• 直接
  需进行相应电压幅值的偏置

6. 测量位置

靠近芯片电源引脚侧的电容正负极