電源紋波大的問題通常和使用的示波器探頭以及前端的連接方式有關(guān)。

什么是電源紋波？

電源紋波指標(biāo)是開關(guān)電源模塊一項很重要的參數(shù)。電源紋波可以理解為電源模塊包括 VRM 的輸出電壓的波動，和復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，或者說是電源輸出的源端的電壓的波動。

通常電源紋波頻率由 MOSFET切換頻率決定，在幾百 KHz 到 MHz 級別，時鐘串?dāng)_帶來的電源噪聲頻率則在幾十 MHz 到百M(fèi)Hz 左右，而 SSN噪聲則與總線或者信號傳輸?shù)那袚Q頻率有關(guān)，最高可能達(dá) GHz 級別，比如 DDR4總線切換頻率可能達(dá) 2 GHz 左右。因此可見電源紋波通常在低頻段，而電源噪聲則要考慮到更高頻段。

干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提，為確保電源供應(yīng)的質(zhì)量，必須對電源的紋波和噪聲進(jìn)行測量。傳統(tǒng)上，工程師通常只是對電源紋波進(jìn)行測量而忽視電源噪聲的測量。而隨著近幾年電路集成規(guī)模和信號頻率的日益提高以及對低功耗的追逐，導(dǎo)致信號環(huán)境日趨復(fù)雜，同時信號幅度和電源供電幅度均大幅下降，相應(yīng)地對電源紋波和噪聲的要求日益提高。

以 DDR4規(guī)范 JESD79-4A 為例，VDDQ_DC 值僅為 1.2V，而 DQVref 相關(guān)參數(shù)值均有嚴(yán)格的范圍：

表 1. DDR4 標(biāo)準(zhǔn)中 DQ 內(nèi)部 Vref 規(guī)范表

事實(shí)上，近年來隨著高速串行信號速率發(fā)展到幾十個 Gbps，電源完整性的重要性正在日益凸顯。電源紋波是影響高速數(shù)字串行總線傳輸質(zhì)量的主要因素之一，電源紋波測試是電源完整性的一個重要方面。

電源紋波測試實(shí)例

某用戶使用500 MHz帶寬的示波器對開關(guān)電源輸出5V信號的紋波進(jìn)行測試時，發(fā)現(xiàn)紋波和噪聲的峰峰值達(dá)到了900多mV（如下圖所示），而其開關(guān)電源標(biāo)稱的紋波的峰峰值<20mv。雖然用戶電路板上后級還有LDO對開關(guān)電源的這個輸出再進(jìn)行穩(wěn)壓，但用戶認(rèn)為測得的這個電源紋波過大，不太可信，希望找出問題所在。

電源紋波測試

首先檢查了用戶探頭的連接方式，發(fā)現(xiàn)其使用的是如下面左圖所示的長的鱷魚夾地線，而且接地點(diǎn)夾在了單板的固定螺釘上，整個地環(huán)路比較大。由于大的地環(huán)路會引入更多的開關(guān)電源造成的空間電磁輻射噪聲以及地環(huán)路噪聲，于是更換成如下面右圖所示的短的接地彈簧針。

經(jīng)過實(shí)際測試，發(fā)現(xiàn)測得的紋波噪聲的峰峰值有很大改善，如下圖所示。

但紋波噪聲的峰峰值仍然有40多mV，和開關(guān)電源廠商標(biāo)稱的<20mV仍有較大差異。

進(jìn)一步檢查用戶使用的探頭的型號，發(fā)現(xiàn)用戶使用的是示波器標(biāo)配的10:1的無源探頭。如下圖所示。

10:1的示波器探頭會把被測信號衰減10倍再送入示波器，然后示波器再對被測信號進(jìn)行10倍的數(shù)學(xué)放大。這種探頭的好處是通過前面的匹配電路提升了探頭帶寬可以到幾百M(fèi)Hz，而且擴(kuò)展了示波器的量程，但是對于小信號的測量不是特備有利。如果被測信號幅度本身就小，再衰減10倍可能就淹沒在示波器的底噪聲里了，即使再做10倍的數(shù)學(xué)放大，對于信噪比本身也是沒有改善的。所以對于電源紋波噪聲的測量應(yīng)該盡量使用小衰減比的探頭，比如1:1的探頭。于是另外找了一個1:1無源探頭，這種1:1的無源探頭雖然帶寬不高（通常幾十MHz），但衰減比小，對于小信號測試非常合適。

下圖是換用1:1的無源探頭后，和10:1 探頭在不同帶寬限制下的對比測試結(jié)果?？梢钥吹?，使用1:1探頭并設(shè)置20MHz帶寬限制后，測量到的紋波噪聲的峰峰值只有不到10mV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過10:1探頭的測試結(jié)果。從1:1探頭的測試結(jié)果里可以看到清晰的紋波的波形，并且滿足用戶對于電源紋波噪聲<20mV的預(yù)期。另外，我們也可以看到，帶寬限制對于噪聲峰峰值也有一定的改善作用。

如果手頭實(shí)在沒有合適的低衰減比的探頭，也可以參考下圖用50歐姆的同軸電纜用如下方式自制一個探頭。實(shí)際上就是把電纜的一頭接在示波器上，示波器設(shè)置為50歐姆輸入阻抗；電纜的另一頭剝開，屏蔽層焊接在被測電路地上，中心導(dǎo)體通過一個隔直電容連接被測的電源信號。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是低成本，低衰減比，缺點(diǎn)是一致性不好，隔直電容參數(shù)及帶寬不好控制。

電源紋波測試問題總結(jié)

這是一個典型的電源紋波測試的問題。我們通過使用短的地線連接、換用低衰減比的探頭以及帶寬限制功能使得電源紋波結(jié)果大大改善。一般來說，影響電源紋波測試結(jié)果的影響因素按照重要性主要有以下幾個：

1、 前端連接線和地環(huán)路的長度：長的地環(huán)路會拾取更多開關(guān)電源的電磁輻射以及地噪聲，因此需要使用盡可能短的地線連接。

2、 探頭的衰減比：大衰減比的探頭會使得小信號幅度更加微弱，甚至淹沒在示波器底噪聲里，所以應(yīng)該盡量使用1:1衰減比的探頭。

3、 帶寬限制：很多電磁噪聲和示波器的底噪聲都是寬帶的，設(shè)置合適的帶寬限制可以濾除額外的噪聲。很多電源紋波場合使用20MHz的帶寬限制，也有些芯片會要求測到80MHz或200MHz。

4、 測量量程：通常會在小量程檔下（比如10mv/格或20mv/格）進(jìn)行電源紋波測試。量程打得越大，示波器的底噪聲越高。但有些示波器的偏置范圍有限，在小檔位下時可能不能夠把被測的直流電壓信號拉回到屏幕中心附近進(jìn)行測量，所以很多時候會使用示波器的AC耦合功能把直流隔離掉再進(jìn)行電源紋波。

5、 輸入阻抗：很多示波器有50歐姆和1M歐姆的輸入阻抗選擇，通常50歐姆輸入阻抗下示波器的底噪聲更低。不過示波器連接大部分無源探頭時都會自動把阻抗切換到1M歐姆，只有連接有源探頭或同軸電纜時才可以設(shè)置為50歐姆輸入阻抗。

直流電源電壓紋波的測量方法介紹

為了覆蓋不同直流電源紋波性能測試的需求，研究了各類電壓紋波測量方法和測量系統(tǒng)。每套測量方法都基于測量儀器的性能和實(shí)測驗證結(jié)果，簡要地總結(jié)和比較了各種測量方法和設(shè)備的優(yōu)劣勢，便于測量人員根據(jù)不同的測試條件選擇最優(yōu)的測試方案。

隨著科技的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的性能逐步提高，工程師設(shè)計電子產(chǎn)品時，對于超低功耗（Ultra-Low Power）以及超高數(shù)據(jù)速率的極致追求，延續(xù)了直流電源輸出電壓越來越低和精度要求越來越高的趨勢。

這種趨勢讓電源設(shè)計面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，絕大多數(shù)電子產(chǎn)品設(shè)計工程師都需要考慮信號的完整性問題。開關(guān)電源中濾波電路的缺陷以及開關(guān)管道通斷產(chǎn)生的高頻噪聲，不僅會引起紋波噪聲，而且有可能引發(fā)干擾和故障。在數(shù)字電路中，直流電源的噪聲也會是系統(tǒng)時鐘和數(shù)據(jù)抖動的重要貢獻(xiàn)者。因此，準(zhǔn)確測量直流電源的紋波噪聲，將會對電源設(shè)計工程師更高的基本要求。

電源紋波

無論是線性電源還是開關(guān)電源，電源輸出的直流電壓都是由交流電壓經(jīng)過整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的，由于濾波的不干凈，導(dǎo)致電源輸出直流電壓上包含紋波噪聲。

紋波噪聲是直流電壓（電流）上的雜波信號，包含周期和隨機(jī)兩種分量。周期分量的頻率通常由開關(guān)頻率的基波和諧波組成，隨機(jī)分量主要由開關(guān)管道導(dǎo)通或截止瞬間產(chǎn)生的高頻脈沖以及外界干擾產(chǎn)生。

紋波噪聲主要包括低頻紋波噪聲，高頻紋波噪聲，共模噪聲以及控制回路引起的紋波噪聲。

低頻紋波主要由供電電源工頻及其諧波成分組成，幅值比較小，容易濾除。

高頻紋波主要是開關(guān)管道在導(dǎo)通或截止的過程中產(chǎn)生高頻干擾，通常幅值比低頻紋波大得多。

開關(guān)電源的頻率越高，輸出濾波器電感電容值越大，高頻紋波越小。功率器件與散熱器底板和變壓器原副邊以及導(dǎo)線之間存在寄生電容電感，當(dāng)電壓作用于功率器件時就會產(chǎn)生共模噪聲。同時控制電路的非線性也會造成電路震蕩，產(chǎn)生紋波噪聲。

紋波噪聲的危害和抑制

紋波是一種復(fù)雜的雜波信號，它是圍繞著輸出的直流電壓來回波動的信號，周期和振幅隨著時間不斷變化，并且不同電源的紋波也各不相同。但是一般來說紋波是有百害而無一利的。電源中攜帶的紋波會在電器上產(chǎn)生諧波，降低電源的使用效率。而高頻紋波噪聲還可能產(chǎn)生浪涌，導(dǎo)致電氣設(shè)備非正常運(yùn)行，加速設(shè)備老化。在數(shù)字電路中，紋波會干擾電路的邏輯關(guān)系，給通信、測試和計量帶來噪聲干擾，影響信號的正常測量，甚至損壞設(shè)備。

直流電源的電壓紋波測量

電源輸出電壓攜帶紋波噪聲是不可避免的，而紋波噪聲的危害又是很大的，因此電源制造商，都要考慮將紋波降低到百分之幾以下，對紋波要求高的設(shè)備要考慮把紋波降低到更小。除了電源設(shè)計的時候要降低紋波噪聲之外，紋波對于評估電源性能也是一個重要的指標(biāo)，因此在電源測試計量領(lǐng)域，如何測量電源紋波是一直在探索和討論的課題。

1. 單端示波器的紋波測量方法

對于紋波指標(biāo)要求不高的低壓電源，示波器直接測量就可以滿足要求。通常采用單端示波器測量方法。為了避免地環(huán)流在示波器輸入端引入誤差，連接線路采用單端接地，即電源端不接地，示波器端接地，如圖，連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

單端示波器測量紋波電路連接圖

一般示波器的輸入電壓范圍在40V以內(nèi)，鑒于示波器的輸入電壓范圍，一般在直流電源和示波器之間會增加RC模塊，同時設(shè)置示波器輸入阻抗為1 M Ω，以保護(hù)示波器不被過高的直流電壓損壞。示波器設(shè)置交流耦合方式，濾除被測信號的直流分量，示波器僅觀察被測信號的交流分量，同時示波器選擇更小的垂直檔位，可以觀察電源紋波的細(xì)節(jié)，示波器上可以直接讀取紋波的峰峰值和有效值。

2. 帶差分放大器的示波器測量方法

對于紋波指標(biāo)要求高的直流電源，示波器的垂直分辨率不夠或者測量精度不高，示波器直接測量的方法就無法滿足指標(biāo)的要求了，一般會選擇對被測的紋波信號進(jìn)行放大測量的方法，以提高測量準(zhǔn)確度。例如在示波器與直流電源之間加入差分放大器，一方面可以隔斷直流分量，另一方面可以放大測量的紋波信號，提高測量準(zhǔn)確度，如圖，連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

帶差分放大器的測量紋波電路連接圖

因為差分放大器的設(shè)置，有可能限制輸入共模信號的電壓范圍，為了防止高電壓損壞儀器，可以在前端加RC濾波電路，并且設(shè)置差分放大器為AC耦合模式。

示波器上的讀數(shù)值需要乘以差分放大器的有效增益，得到直流電源的紋波峰峰值和有效值。

3. 帶差分傳感器的波形分析儀測量方法

除了通用的示波器測量電源紋波以外，我們研究了低噪聲波形信號分析儀的測量方法。使用Keysight CX3322A波形分析儀和Keysight CX1105A電流/電壓低噪聲差分傳感器，也可以實(shí)現(xiàn)直流電源的電壓紋波測量。線路連接圖如圖-3。連線圖僅為紋波測量線路圖，直流電源需要連接電阻或電子負(fù)載，設(shè)置合適的電壓電流，以保證直流電源輸出要求的直流電壓和電流，并且處于恒壓模式。

波形分析儀紋波測量線路圖

這也是一種差分測量方法，并且測量系統(tǒng)引入的底噪非常低。根據(jù)測量儀器的指標(biāo)手冊，當(dāng)選擇20 MHz帶寬限制的時候，25 mV量程的底噪有效值只有20 μV，它只有示波器的十分之一，并且測量系統(tǒng)具有比較好的平坦度。因此，這也是非常理想的直流電源紋波測量方案。

只是CX1105A的共模直流電壓范圍很窄，只有5~6 V，因此需要在差分傳感器前端加上RC濾波電路，一方面可以阻斷直流共模電壓，保護(hù)差分傳感器不被高壓損壞，另一方面匹配合適的電阻，降低差分傳感器前端的輸入阻抗，可以有效地降低交流共模噪聲。波形分析儀上的讀數(shù)即為測量紋波的峰峰值和有效值。

4. 高壓直流電源的紋波測量方法

以上三種測量方案只適用于200V以下的直流電源，但是目前高壓直流電源越來越多，如何測量高壓紋波也越來越受到關(guān)注。

1）帶無源高壓探頭的示波器測量方法

這是最常用的高壓信號的測量方法，選擇與示波器匹配的無源高壓探頭，例如Keysight 10073C 10:1探頭和10076C 100:1探頭。示波器可以根據(jù)連接的探頭，進(jìn)行自動修正，示波器上讀取的數(shù)據(jù)即為測量紋波的峰峰值和有效值。在測量開始之前，高壓探頭一定要做低頻補(bǔ)償，保證測量準(zhǔn)確度。

雖然衰減比率越大，輸入電壓就可以越高，比如10073C最高輸入電壓可以到500 V峰值，而10076C可以到2000 Vpk以上，但是衰減比率越大，探頭輸入端的靈敏度越高，示波器底噪被放大得越大。因此，對于紋波要求不高的500 V峰值以上的高壓測量，可以使用10076C 100:1探頭進(jìn)行測量，500V峰值以下的高壓測量，盡量選擇10073C 10:1探頭進(jìn)行測量。

2）優(yōu)化的帶高壓探頭的示波器測量方法

對于紋波要求高的高壓測量，可以增加差分放大器，來提高測量精度，抑制測量系統(tǒng)的底噪。

帶差分放大器的高壓紋波測量線路圖

可以根據(jù)直流電壓大小和測量紋波的指標(biāo)，選擇10:1或者100:1探頭，不管選擇哪一種探頭，測量系統(tǒng)的底噪性能都比直接接示波器要好很多。測量系統(tǒng)的平坦度在20 MHz被測頻率范圍低于5%。優(yōu)化的高壓紋波測量方案非常適用于高電壓高精度的紋波測量。

干凈的電源是數(shù)字電路穩(wěn)定工作的前提。下面我們將介紹電源紋波測試的注意事項與調(diào)試技巧。

電源紋波測試的注意事項與調(diào)試技巧

基于上述 S204A 示波器和 N7020A 1:1 衰減比探頭的測試組合，已經(jīng)有了非常良好的測試精度保證，還有什么其它注意事項值得關(guān)注呢？

1. 選擇恰當(dāng)?shù)氖静ㄆ鲙挕?br />
測試電源紋波可以將示波器硬件帶寬限制到 20MHz。主要是為了避免數(shù)字電路的高頻噪聲影響紋波的測量，盡量保證測量的準(zhǔn)確性。如果開關(guān)頻率較高，也可以考慮設(shè)置示波器硬件帶寬為 200 MHz。Keysight S 系列示波器內(nèi)置了兩檔硬件帶寬限制即20MHz 和 200MHz。內(nèi)置的數(shù)學(xué)運(yùn)算(Math-Low Pass Filter)還支持靈活的軟件數(shù)字帶寬限制。

示波器帶寬

示波器帶寬決定因素：由前端放大器等模擬器件的特性決定
示波器帶寬參數(shù)定義：放大器增益下降到-3dB對應(yīng)的頻點(diǎn)稱為帶寬

2. 調(diào)節(jié)示波器的垂直刻度盡量將波形展開占屏幕垂直 6-7 格。

比如測試 10mV 級的紋波和噪聲，可以調(diào)節(jié)垂直刻度到 1.5mV/Div，S 系列示波器每個通道都有專用的垂直刻度調(diào)節(jié)旋鈕，該旋鈕支持按壓在粗調(diào)和微調(diào)之間切換。采用這一設(shè)置的目的是盡量用足示波器 ADC 的顯示線性范圍。

3. 設(shè)置示波器的波形采集或捕獲方式為 12bit 高分辨率模式。

高分辨率模式(High Resolution Mode)相對一般采樣模式 (Sampling Mode) 主要是將若干個采樣點(diǎn)組成一組做平均，將這個平均值作為采樣結(jié)果保存到采樣存儲器中，因此這是示波器的顯示采樣率會下降。這種平均類似濾波的效果，可以有效降低示波器的噪聲。鑒于紋波的重復(fù)性特征，還可以采用平均模式(Average)以獲得更佳的測試和測量結(jié)果。必須說明的是，采用高分辨率模式時會降低示波器的數(shù)字帶寬。因此在測試高頻噪聲和干擾時不建議采用高分辨率模式。

4. 最后一點(diǎn)比較重要的就是示波器探頭接地線應(yīng)盡量短。

以免接地線耦合其它干擾和噪聲。長地線的寄生電感還會降低測試帶寬。因此在 N7023A 的三種靈活測試組合中，采用探頭針尖直接點(diǎn)測和短彈簧地針的組合效果最佳，當(dāng)然采用雙列直插連接和貼片器件夾的組合具有更佳的連接和測試方便性，因此有時需要在測試精度和連接方便性之間進(jìn)行平衡。

以上描述了推薦進(jìn)行精確電源紋波測試和噪聲測試的示波器和探頭組合以及測試中的一些小技巧，這些是得到真實(shí)測量結(jié)果的基礎(chǔ)和保證。在得到期望的波形后，又該如何進(jìn)行電源紋波分析呢？

電源信號測試分析實(shí)例

通常情況下，可以采用直方圖統(tǒng)計和進(jìn)行簡單的 FFT頻譜分析：

直方圖統(tǒng)計和 FFT 頻譜分析

直方圖統(tǒng)計可以觀察得到紋波在數(shù)值上的分布情況，而 FFT 頻譜分析則可以從頻域角度去對電源紋波和噪聲的本質(zhì)進(jìn)行深層次的觀察。如上圖示，通過對信號進(jìn)行 FFT 運(yùn)算立刻可以發(fā)現(xiàn)此電源噪聲頻率為 1.71 GHz。

如果對信號進(jìn)行 FFT分析后，發(fā)現(xiàn)多種頻率源的干擾，又該如何分別進(jìn)行定位和量化呢？

以下圖為例，黃色 CH1 波形是測得的 3.3V 的電源信號，f2 是采用 Horz Gateing 函數(shù)運(yùn)算得到的一段水平放大波形。對 CH1 信號進(jìn)行 FFT 運(yùn)算可以看到其頻譜中包含 2.8 M 開關(guān)頻率及其諧波分量和來自于 10 MHz 時鐘的干擾。如果測試得到的紋波結(jié)果超過系統(tǒng)容許值，那么該如何改進(jìn)呢？顯然，2.8 MHz 的開關(guān)頻率是已經(jīng)選定的開關(guān)電源帶來的，而 10 MHz 的時鐘干擾是外來干擾，比較容易通過重新布線或其它方法去除。因此我們現(xiàn)在就需要對 10 MHz 的時鐘干擾耦合進(jìn)來的電源噪聲數(shù)值進(jìn)行定量分析。

電源信號測試分析實(shí)例(1)

因此將 10 MHz 時鐘信號接入到 CH2，并設(shè)置觸發(fā)源為 CH2。那么其它干擾源耦合到電源上的噪聲因為與 10 MHz 時鐘無關(guān)具有隨機(jī)性。設(shè)置示波器的采集模式為平均，比如 1024 次平均，隨機(jī)信號就被濾除掉。這時就可以清晰的辨別出 3.3V 電源信號上因為 10 MHz 時鐘產(chǎn)生的噪聲和干擾的幅度。如下圖示: