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电源纹波是电源品质的重要指标之一，除了工程师外，普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波，但是具体操作流程存在随意性大，可复现性低等问题。接下来普科科技PRBTEK以实测演示对比来描述精通纹波测量需要掌握的技巧和注意要点，帮助用户实现纹波测量又快又准的目标。

一、电源纹波的概念

随着集成电路的发展进步，用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V左右，用于移动设备的LP-DDR系列存储器，供电电压也不超过1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备，对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外，普通用户在经受低质量电源困扰之后，也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真（Hi-Fi）音响爱好者圈子里，就流传着 “火电力度大，水电解析力高，雅鲁藏布江的水电效果好” 等段子。更不乏为了改善电源质量，花重金购买一根昂贵的电源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据，但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。

电源品质中，一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波（ripple）通常认为是在直流电源输出中，叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通常是在交流转直流过程中，由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是，虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的，并且原理上不存在纹波，但是对于使用电池供电的设备，我们仍然需要关注电源的纹波。一方面，随着电池容量的消耗，电压会逐渐降低，为了保证用电设备的输入电压恒定，电池的电压会经过DCDC转换器进行变换，此时会引入额外的交流分量。另一方面，用电设备对电压的需求不一致，一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨，因此会引入多个电压转换器，进而产生不同的交流分量。

二、电源纹波的基本测量

这里以一个常见的Raspberry Pi Pico开发板的电源模块为例，介绍电源纹波测量的基本流程。

2.1Raspberry Pi Pico电源简介

Raspberry Pi Pico是一个小巧实用的MCU板子，供电由一颗来自RICHTEK的RT6150B完成，输出电压是3.3V，电路如图1所示。RT6150B是一个Buck-Boost转换器，因此输入电压既可以高于也可以低于3.3V。板子的供电来自USB接口的5V，实现的是降压转换。值得注意的是，RT6150B有一个Power Save Mode（PSM）。当芯片的7脚（PS）拉低时，PSM启用，芯片工作在PFM模式，效率较高，但是纹波也较高。当PS拉高时，PSM禁用，芯片工作在PWM模式，轻载时效率降低，但是纹波也较低。

图1：Raspberry Pi Pico的供电电路

实际测量时，我们通过软件控制PS拉低或拉高，从而使供电模式在PFM和PWM之间切换，进而对比二者的差异。测量点位方面，供电输出处有一颗电容C2，我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。

2.2示波器设置

探头：纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量，因此和普通电压信号测量比较类似，选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减，例如有1X和10X两个档位，需要设置到没有衰减，即1X的档位上。

探头接地线：拔掉。没错，去掉探头上所有的接地延长线，包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件，可以用最短的路径就近接入板上的地线。

垂直通道：设置为AC耦合；带宽限制设置为20 MHz；本着先粗后细的原则，垂直刻度可以先设大一些，例如50mV/div；检查并确认探头的衰减正确设为了1X。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。

图2：示波器垂直通道设置

时间刻度：本着先粗后细的原则，时间刻度可以先设大一些，例如1ms/div，待后续观察到信号后，再放大查看细节。

触发系统：由于使用AC耦合，触发电平可以设为0V，使用边沿触发即可。

2.3测量波形

使用上述配置，可以测得输出电容两端的交流电压如图3和图4所示。为了方便对比，2张图的垂直刻度都统一设置为了5mV/div。

我们不难发现，相比PWM模式，PFM模式下，电源的纹波是明显大的，这和datasheet的描述是一致的。

图3：PFM模式的纹波

图4：PWM模式的纹波

具体纹波的数值，可以通过数格子、光标或示波器的自动测量功能获取。

以上内容由普科科技prbtek为您分享，如果您在选型/使用过程有什么问题，咨询普科科技官网：www.prbtek.com

公司目前致力于示波器测试附件配件研发、生产、销售，涵盖产品包含电流探头、差分探头、高压探头、无源探头、电源纹波探头、柔性电流探头、近场探头、逻辑探头、功率探头和光探头等。

纹波是电源的核心指标，但如何准确测量纹波却是一个被广泛忽略的问题。也许您认为不就是示波器交流耦合，然后把探头点在电源上吗？事实远非如此，这里普科科技PRBTEK将为您呈现纹波测试的正确方式。

一、探头的选择

在十几年前，很多公司的电源测试标准中都有明确的规定，要求使用1:1 探头进行测量。因为这种探头不会损失示波器的测量档位，比如示波器原来Z小档位是2mv/div，使用1:1探头就仍然可以通过这个档位测量纹波，即可以准确测量出10mv以内的纹波。但是由于这种探头的带宽只能做到6MHz左右，所以随着开关电源频率的提升，这种探头便不再适合使用。

目前常用的电源测量探头是10:1无源探头、100:1无源探头、高压差分探头。探头的选择上首先要考虑电压范围，被测电压不要超出探头允许的范围。比如说一般的10:1的无源探头，其低频耐压值是300VRMS，且随着频率的升高而降低，如图1所示。使用之前将测量信号的电压范围设置在此范围内，否则将无法进行正确的测量。

图1 无源探头输入额定电压曲线

除此之外，还需要考虑探头衰减比对底噪的放大，从而判断信号的真实有效部分。采用探头测量时的示意图如图2所示，其中Gn1是虚拟的一个噪声源，表示示波器的本底噪声，而Gn2表示探头的本底噪声。由于信号经过了探头的衰减，为了还原真实信号的大小，示波器内部会对信号再进一步放大，而此时Gn1和Gn2也就跟着被放大，其放大倍数就是衰减比的倒数。所以衰减倍数越大，其测量系统的本底噪声也就被放大的越多。

图2 底噪放大示意图

例如使用500：1高压差分探头进行测量，示波器本底噪声是1mv，探头噪声为为1mv，这样累加噪声是2mv，再经过500倍的放大，其本底噪声就达到了1V，此时就需要考虑，1V的噪声是否在允许范围内。如果您的被测系统纹波本身也就只有1V或者更小，那1V的噪声显然是不允许的。

二、接地方式的选择

传统的使用习惯上，示波器的接地方式就是那根长长的接地夹线。如图3所示，这种接地方式，确实是一种简单方便的接地方式，但是却并不是一种严谨的、准确的接地方式。

图3 接地夹线示意图

由于地夹线比较长，其会形成一个寄生电感Lgnd，随着夹线的增长，这个电感也会增大，而这个回路电感会和示波器探头的输入电容Cin产生谐振。这就导致示波器的幅频特性变得不平坦，导致测量不准确。其等效电路如图4所示：

图4 接地夹线等效电路图

但是这还不是接地夹线Z致命的。开关电源，随着开关管的开合，不仅仅产生了电源纹波，同时也产生了很多电磁干扰，通过空间进行辐射，而这部分辐射就会被接地夹线与探头形成的线圈给接收到，再加上示波器是高阻输入的，就导致这部分信号对测量的干扰非常可观。电磁干扰虽然也可以说是电源的一项参数，但是这部分信号是无法通过示波器探头来进行准确测量的，测量出来的值是毫无意义的。

因为以上两点，所以在测试电源纹波时，是不应该使用接地夹线的，而应该使用接地弹簧。如图5所示，这样既降低了环路电感从而保证了较好的幅频特性，又降低了电磁辐射的引入。

图5 接地弹簧示意图

如果是使用的高压差分探头，则应该将两根输入线双绞在一起，用以降低环路面积。

三、滤波器的应用

上面讲了两种情况，能够有效增强测量结果真实性方法。但有些情况无法按这两点来操作。比如利用高压差分探头进行测量，一般有两个衰减比可以选择：50:1（MAX 130V）、500:1（MAX 1300V）。若测量的电压是200V，这时便发现只能选用500:1的探头衰减比。而按第一部分内容中的计算可知，本底噪声有1V左右，这个底噪就有些偏大了，会影响Z终的结果。再比如有些测量情况下不方便固定接地弹簧，而必须使用接地夹线进行固定，但是这样又会引入大量的电磁辐射干扰。

这时候就需要使用滤波器了。噪声和电磁辐射的干扰也和正常信号一样，也是分频段的。如果我们把一部分频段的噪声滤除掉，就可以大大降低底噪和辐射干扰。但是我们又不希望关心的信号被滤除掉，这就需要使用低通滤波器了。

示波器都会有一个20M带宽限制的功能，就是为了降低底噪和辐射干扰，将关心的信号从一堆混乱的信号中摘出来。但是随着开关电源频率的升高，频率的多样化，一个固定的20M带宽限制显然已经不再够用了。

所以，您在测量时，只需要预估一下自己想要测量的频率范围，然后设置好数字滤波器，就可以使你的示波器拥有更低的底噪，使得测量更加准确。

总结

以上是普科科技PRBTEK分享的一些测量电源纹波的注意事项，归纳如下：

1、探头的选择，需要结合探头的耐压范围和被测信号的电压范围来选取，同时还要考虑探头衰减比对本底噪声的放大作用。

2、接地方式的选择，应该尽可能的降低接地回路，如使用接地弹簧。这样既能改善幅频曲线，又能降低电磁辐射的干扰。

3、灵活的使用数字滤波器，将我们需要的信号从“纷纷扰扰”的噪声中提取出来，使得结构更加精确。

4、通过FFT的后期分析功能，可以更加准确的测量开关频率上的噪声大小。

如果您在使用过程有什么问题，咨询普科科技官网：www.prbtek.com

在应用电源模块常见的问题中，降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低？普科科技从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发，阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。

纹波噪声的常见测量工具是采用示波器+探头的方式

纹波和噪声即：直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波，高频杂音为噪声。

纹波的产生是由开关传递断续的能量引起的，从开关电源的内部设计来着手，可以提高开关管的频率，使每次传递的能量减小从而减小纹波，也可以增大传递能量的电感值L，使电流的突变峰值降低，从而减小纹波的波动幅度。

从模块外部，尤其是在客户端，可以增加输出滤波电容来减小纹波，但不能无限加大电容，因为大多数开关电源模块有较大容性负载限制。

纹波噪声的测试方法

对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试，业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中，平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品，靠测法用于模块引脚间距小的产品。

但不管用平行线测试法还是靠测法，都需要限制示波器的带宽为20MHz。

平行线测试法

注1：C1为高频电容，容量为1μF；C2为钽电容，容量为10μF。

注2：两平行铜箔带之间的距离为2.5mm，两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。

靠测法：

去除地线夹测试的区别

测试纹波噪声需要把地线夹去掉，主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声，不能真实反映电源的输出纹波噪声，影响测量结果。

输出滤波电容的影响:输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。

电感对纹波噪声的影响:电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地，感量大时对纹波YZ作用明显，寄生电容小的电感对噪声YZ效果好。

如果在电源模块选型中，选用低纹波噪声的电源模块，可省去外围电路的搭建。普科科技致力于示波器测试附件配件研发、生产及销售，如您在选型或者使用过程中有任何问题，欢迎访问普科科技PRBTEK官网www.prbtek.com。

纹波：理想状态时，电源输出的直流电压应为一固定值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的。由于滤波不干净或多或少会有剩余的交流成分，这种包含周期性与随机性成分的杂波信号我们称之为纹波。

即便是用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。较大的纹波会对高速信号质量产生干扰，影响CPU与GPU正常工作，所以这个数值越小越好。所以为了保证电源的电压输出质量，需要对给电路板供电的AC/DC或DC/DC模块的输出纹波进行测量。而纹波的测量方法对于其该项指标的确定会产生非常大的影响，今天安泰测试Agitek就简单给大家演示一下示波器测电源波纹的一些注意事项。

通过示波器测试电源纹波时，只有采取正确的测量方法，才能得到准确的测量数值。如何正确使用示波器测试电源纹波呢？以下几点为使用示波器测试纹波时需要注意的几点：

1、 示波器要选择20MHz的带宽限制。一般开关电源输出的纹波在DC~20MHz范围。而高频同步开关噪声和信号反射等引起的噪声在DC~1GHz范围。所以此设置可以滤除高频噪声，避免高频噪声对纹波测量造成影响。

下图为纹波与噪声的示意图。A：纹波+噪声；B：纹波；C：噪声。

2、 示波器探头接地线尽量短。通常建议去掉探头帽，使用探头自带的接地弹簧来接地，这样可避免由探针与地线形成的类天线环路耦合进电路中的噪声。

3、 尽量选择有1X的示波器探头。可避免由示波器本身噪声引起的纹波误差。因为探头端对信号进行衰减后，为了在示波器上仍读取实际信号电压值，示波器会通过设置的探头比对信号进行运算。如使用10X衰减探头，实际进入示波器的信号衰减为1/10，为了在示波器上显示真实电压值，示波器上探头比需设为10X，示波器会将所得信号乘10后进行显示。而探头本身的噪声是不会因探头的衰减而衰减，所以乘10后所得的噪声会变大。对于测试的纹波较小时会产生影响。此外，很多探头1X时的带宽只有不足10MHz，会使高于10MHz的纹波衰减造成实际测试的纹波偏小。所以建议选择不低于20MHz的带有1X的探头测试。如RIGOL PVP2000探头，1X时带宽为35MHz，可满足纹波测试带宽要求。

4、示波器的通道耦合方式选择交流，可以将直流电压隔离，方便信号观测。因为纹波是叠加在直流信号上的，相较于直流电压，其数值较小。所以需要将垂直刻度调小，并调节垂直偏移才可以看到纹波信号。此外由于示波器的垂直偏移范围可调范围是有限制的，所以当直流信号过大时可能会导致无法看到纹波。所以选择交流耦合可以只显示交流纹波信号，方便观测波形。

5、如果使用隔离电源时要保证示波器的电源地与被测电源地隔离，避免引入共模干扰。

以上内容由普源示波器代理商——安泰测试整理， 安泰测试作为普源的一级代理，为客户提供选型、样机演示、销售、培训、维修等一站式服务，欢迎有需求的电子工程师咨询安泰测试。