电源芯片纹波电压问题及正确测试方法

通常，我们在设计电路的时候，选取电源芯片是极其重要的一环，因为电源芯片的优劣将直接影响整个电路的性能，尤其是在射频电路中。而电源芯片的纹波电压作为电源芯片的一个指标，是电源芯片选型的一个重要参数，因此，本篇博文就介绍一下电源芯片纹波电压的来源及分类、解决方法及正确的测试方法。

一、纹波电压的来源及解决方法

1.1 输入低频纹波

(1) 增加输出低频滤波的电感、电容容量及数量

低频纹波与输出电路的滤波电容容量及 ESR 相关：

充放电时的电压升降量：Vripple1=Imax/(Co×f)——加大输出电容值，可以减小纹波；
电流进/出电容时 ESR 上电压降量：Vripple2=I*ESR—-采用并联的方式减小 ESR 值,或者使用 Low ESR 电容，可以减小纹波；

但电容的容量不可能无限制地增加，因此可另外采用前馈控制方法，降低低频纹波分量(前馈控制 feed forward control(FFC)是按照扰动产生校正作用的一种调节方式，其目的是加速系统响应速度，改善系统的调节品质，主要用于一些纯滞后或容量滞后较大的被控参数的控制)；

(2) 增加输出走线(Trace)的宽度。

1.2 高频纹波

高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路。

(1) 适当提高开关频率，以提高高频纹波频率；

(2) 采用多级滤波。

1.3 寄生参数引起的共模纹波噪声

主要由于功率器件与散热器底板，变压器原、副边之间存在寄生电容及导线存在寄生电感引起。

(1) 减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并将散热器有效接地(可选择通过电容接地，或电容串电阻接地)，同时在输出侧加共模电感及电容;

(2) 降低开关尖刺幅度(降低漏感、开关管与整流管的寄生电容，适当调整 RCD 参数等）。

1.4 功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声

主要来源于：

(1) 高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振，其频率一般为 1-10MHz；可以通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。

(2) 分布及寄生参数引起的开关电源噪声

开关电源的分布参数是多数干扰的内在因素，开关电源和散热器之间的分布电容、变压器初次级之间的分布电容、原副边的漏感都是噪声源。
共模干扰就是通过变压器初、次级之间的分布电容以及开关电源与散热器之间的分布电容传输的。其中变压器绕组的分布电容与高频变压器绕组结构、制造工艺有关。
可以通过改进绕制工艺和结构、增加绕组之间的绝缘、采用法拉第屏蔽等方法来减小绕组间的分布电容。
而开关电源与散热器之间的分布电容与开关管的结构以及开关管的安装方式有关。采用带有屏蔽的绝缘衬垫可以减小开关管与散热器之间的分布电容。

设计 PCB 板最好注意以下几点:

从输入到输出最好按顺序走线；
开关变压器底下和附近不走取样电路，保护电路，主芯片及振荡相关电路的线路；
总接地点取在输出滤波电容上比较合适，各电路接地点应从总接地点分别引出；
驱动信号到开关管走线尽可能短，且尽可能的粗，开关变压器到输出整流管也是一样；

1.5 闭环调节控制引起的纹波噪声

在调节器输出增加对地的补偿网络，调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹波增大；
合理选择闭环调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数，开环放大倍数过大有时会引起调节器的振荡或自激，使输出纹彼含量增加，过小的开环放大倍数使输出电压稳定性变差及纹波含量增加，所以调节器的开环放大倍数及闭环调节器的参数要合理选取，调试中要根据负载状况进行调节，以获得足够的环路稳定裕量。
在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节，使延时滞后降到最小，以增加闭环调节的快速性和及时性，对抑制输出电压纹波是有益的。

根据上述内容，纹波电压在电源电路中是无法彻底消除的，只能尽量减小，即使采用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。

二、纹波电压的测量方法

1、前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。

2、探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用 1:1 衰减比的探头。

3、带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波噪声测试场合使用 20MHz 的带宽限制，也有些芯片会要求测到 80MHz 或 200MHz。

4、测量量程：通常会在小量程档下（比如 10mv/格或 20mv/格）进行电源纹波的测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的 AC 耦合功能把直流隔离掉再进行纹波噪声测试。

5、输入阻抗：很多示波器有 50 欧姆和 1M 欧姆的输入阻抗选择，通常 50 欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到 1M 欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为 50 欧姆输入阻抗。

在进行实际测试之前，一个比较好的习惯是先检查一下当前使用的设备和设置下的系统的底噪声。下面图中的 5 个波形分别是使用 500M 的 S 系列示波器在使用不同的探头和带宽设置下的底噪声结果。波形从上到下依次为：50 欧姆输入阻抗，1:1 探头，500MHz 带宽；1M 欧姆输入阻抗，1:1 探头，20MHz 带宽；1M 欧姆输入阻抗，1:1 探头，500MHz 带宽；1M 欧姆输入阻抗，10:1 探头，20MHz 带宽；1M 欧姆输入阻抗，10:1 探头，500MHz 带宽。其底噪声的峰峰值从不到 1mV 直到接近 30mV，可见测试中探头、带宽、输入阻抗设置的重要性。

如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以参考下图用 50 欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为 50 欧姆输入阻抗；电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。