隨著科技的日新月異，電子產品的種類日漸增多，性能也逐步提高，并已滲透到人類生產生活的各方各面。電子產品的內部電路高度集成化，運算速度也越來越快。而工程師在設計下一代電子產品時，對于超低功耗(Ultra-Low Power)以及更快系統時鐘和超高數據速率的極致追求，延續了電源直流電壓越來越低、輸出電壓精度要求越來越高的趨勢。

這種趨勢讓電源設計面臨嚴峻挑戰，絕大多數電子產品設計團隊現在都需要考慮直流電源的信號完整性問題。開關電源中濾波電路的缺陷以及開關管通斷產生的高頻噪聲，會引起紋波和噪聲的產生。這不僅會降低電源效率，而且有可能引發干擾和故障。在數字電路中，直流電源的噪聲也會是系統時鐘和數據抖動的重要貢獻者。

因此，能夠擁有一臺可測量直流電源微小變化，并能觀察到信號更多細節的高精度儀表，同時又對直流電源紋波和噪聲的測量方法了如指掌，將會是對電源設計工程師更高的基本要求。

那首先，讓我們先對直流電源紋波及噪聲有一個初步的認識，然后針對測量中常遇到的疑惑或者影響測量的諸多因素做簡要分析，同時提出相應的解決方案。

電源紋波和噪聲的定義PARD(periodicand random deviation)：

1、 電源紋波(Power Ripple)：

直流電壓/電流中，疊加在直流穩定量上的交流分量，用電壓和電流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值（mVpp/mApp）來表示。

2、 電源噪聲(Power Noise)：

開關管高速通斷，使電壓/電流急速變化而引起的高頻噪聲。

紋波和噪聲是直流電平上的雜波信號，包含周期性與隨機性兩種成分。其中，周期性成分在直流電壓上下輕微波動，就像水平面上波動的水紋一樣，所以被稱之為紋波。紋波的頻率，通常由開關頻率的基波和諧波組成。噪聲主要由開關管導通或截止瞬間產生的高頻脈沖引起，當然也有電源受到的外界電磁場輻射或傳導干擾的影響。紋波和噪聲無法避免，只能通過相應設計將其減少到合理程度，比如使用合適的濾波器來濾除。

紋波和噪聲的害處：

1、 降低電源效率；

2、 使電子產品發熱量增加，降低產品壽命；

3、 較強的紋波可能引起浪涌電壓或電流，導致用電器燒毀；

4、 引起電子產品產生諧波，干擾電網中的其他設備正常工作；

5、 干擾數字電路邏輯關系，影響電路正常工作；

6、 帶來噪聲干擾，引起音頻、視頻設備產生噪音或畫面不穩定。

紋波和噪聲的來源：

1、 低頻紋波：

主要由50Hz工頻及其諧波成分組成，幅值小，容易濾除，線性直流電源的紋波甚至可以做到1mVrms以下。

2、 高頻紋波：

主要來源于開關電路，開關管在導通和截止的過程中會產生高頻干擾。同時，二極管在反向恢復瞬間，相當于一個電阻和電感的串聯等效電路，引起諧振。高頻變壓器的漏感，也會產生高頻干擾。高頻紋波，幅值通常會比低頻紋波大許多。

通常情況下，高頻紋波的大小與開關電源的頻率以及輸出濾波器有關。頻率越高、濾波器電感和電容值越大，輸出紋波越小。

3、 共模噪聲

功率器件與散熱器底板和變壓器原邊及副邊之間存在寄生電容，導線也存在寄生電感。當電壓作用于功率器件時，導致開關電源輸出端產生共模噪聲。

4、 開關器件產生的紋波

開關管的導通和截止，會引起電感中的電流隨著輸出電流的有效值上下波動，故而在電源輸出端能看到與開關頻率一致的紋波。

5、 調節控制環路引起的紋波和噪聲

開關電源中的控制回路，并不是完全實時響應，有一定的響應時間，無法做到完全的線性調節。從而導致輸出電壓在瞬間會忽高忽低的變化，造成電源的振蕩，產生紋波和噪聲。

影響電源紋波和噪聲測試精度的主要因素：

1、探頭衰減系數

示波器有源探頭或標配無源探頭，一般都是10X衰減比例，和示波器連接后，最小垂直刻度會從1mV/div變成10mV/div。此時示波器的本底噪聲會對小電壓的紋波和噪聲測量結果影響很大。故而在測量非常微弱的信號時，要求使用1X衰減比例的探頭或無源傳輸線探頭直接將信號引入示波器。

2、探頭接地方式

示波器探頭，有接地鱷魚夾和接地彈簧針2種接地方式可以選擇。接地鱷魚夾由于使用方便，受到大多數工程師的青睞。但在測試電源紋波和噪聲等微弱信號時，需要考慮地線回路對測量的影響。若地線過長或接地點與信號點離得太遠，可能會引入高速芯片的近場EMI輻射噪聲。

為減小探頭在電源附近受電磁輻射的影響，有以下方法可以參考使用：

① 摘去示波器探頭帽和接地鱷魚夾；

② 使用接地彈簧針，并選擇離信號點最近的接地點接地；

③ 在探頭接入點并聯小電解電容或瓷片電容；

此外，將示波器探頭引線繞在鐵芯上，以減小共模電流，此操作不會對差分電壓測試有影響，但會降低由共模電流引起測量誤差的共模電感。在隔離電源中，共模電流是由探頭接地引線中的電流產生的。這使得電源地和示波器地之間產生電壓降，表現為紋波。

3、示波器耦合方式、直流偏置范圍

AC耦合方式

可以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；

可以配合更小的示波器垂直檔位，觀察電源紋波和噪聲等交流分量的細節。

DC耦合方式和直流偏置范圍

被測信號含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上觀察；

可以同時觀察0V電平與直流輸出電平，但若需觀察電源紋波和噪聲的局部放大細節，則需要示波器有足夠的電壓偏置范圍。

4、輸入阻抗

一般而言，示波器無源探頭大多數都是1MΩ以上的高阻輸入阻抗，對應的示波器通道也需要設置1MΩ高阻輸入。

當使用1X的傳輸線探頭，示波器若設置為高阻輸入，則會造成與同軸電纜的50Ω阻抗不匹配，引起電源噪聲的反射，測量所得到的結果往往會大于50Ω示波器輸入阻抗的真實測試結果。使用1X傳輸線探頭時，示波器通道輸入阻抗應當選擇50Ω匹配阻抗。

由于示波器選擇50Ω輸入阻抗，耦合方式只能選擇DC耦合。而示波器的偏置范圍有限，故而對于輸出電壓較大的電源，還需要增加隔直電路。

5、示波器垂直檔位（垂直靈敏度）

一般而言，示波器的最小垂直檔位有2~4mV/div。市面上也有為了測量更小電壓信號而設計的示波器，其垂直檔位最小可以到1mV/div（如Rigol DS4000/6000系列），甚至500uV/div（如Rigol DS2000A系列）。

示波器可以通過調節合適的垂直檔位，使波形整體呈現在屏幕上。Rigol示波器還支持垂直檔位微調功能，在更小范圍內進一步調整垂直檔位，以改善ENOB（動態有效位）。如果輸入的波形幅度在當前檔位略大于滿刻度，而使用下一檔位波形顯示的幅度又稍低，則可以使用微調改善波形顯示幅度，方便觀察信號細節。

垂直檔位的調節范圍與當前設置的探頭比例有關。默認情況下，探頭衰減比例為1X，垂直檔位的調節范圍為1 mV/div至5 V/div。若探頭比衰減比例為10X，垂直檔位的調節范圍即調整為10mV/div至50V/div。

示波器在測試5V的直流電壓時，要想觀察到mV級的紋波電壓變化細節，必然要將垂直檔位盡量調到較小檔位上進行測量。

而在1mV/div這么小的垂直檔位上，示波器的動態范圍僅±4-5mV（視示波器垂直檔位格數而定）。5V電壓對于±5mV的動態范圍顯然太大，無法在垂直格數僅8-10div的示波器上觀察。故而需要使用AC耦合方式濾除直流分量，或者調節垂直偏置電壓到5V，這樣就可以觀察到紋波和噪聲的信號細節。一般而言，示波器很難調節到如此大的偏置電壓，故而使用AC耦合方式居多。

6、帶寬限制

由電源引起的紋波噪聲頻率通常都比較低，因而在進行電源紋波和噪聲測量時，常常使用帶寬限制功能，以隔離高頻噪聲對測試結果的影響。帶寬限制的參數，大多數選擇在20MHz；若要評估所有頻段或部分頻段上電源的噪聲情況，則需要選擇其他的限制帶寬參數，如100MHz/200MHz/250MHz。

7、測試環境

不同的測試環境，也可能會得到不同的測試結果。可以約定以下測試要求：

① 溫濕度：室內，溫度(20±5)℃，濕度小于80%；

② 盡量減少對測量有影響的機械震動及電磁干擾；

③ 測量儀器與待測電源放置在以上的測試環境下24h以上；

④ 測量儀器在進行正式測量之前，預熱半小時以上。

8、其他因素

① 測試時，要求在加載狀態下進行測量；

② 電源的負載要選擇純阻性負載，也可使用電子負載；

③ 負載拉載時，要使直流電源輸出電流大于電源額定輸出電流的80%以上；

④ 接線要盡可能短，以減少測量系統從外界引入的噪聲影響。

影響測量結果的示波器重要參數

1、示波器帶寬的選擇

測試電源噪聲時，需要考慮高頻響應，這對選擇示波器的帶寬有相應的要求。帶寬足夠，則不會濾除電源噪聲的高頻諧波成分，但示波器帶寬也并非越高越好。帶寬過高的示波器由于其儀器本身的高頻噪聲的影響，會降低電源噪聲的測量精度。

故而，在測量噪聲時，會有帶寬限制的選擇。一般而言，PCB級的電源噪聲測試，示波器帶寬選擇在500MHz即足夠；更高頻率的測試，屬于芯片和封裝設計范疇的電源完整性問題。

2、示波器存儲深度和采樣率的要求

工程師在選擇數字示波器時，一般會關注采樣率這個指標。而市面上大多數廠商的示波器產品采樣率動輒1GSa/s以上，看似非常之高，但在實際使用時會發現5ms/div大時基下采樣率急劇下降，這是因為忽略了存儲深度對采樣率的影響（詳情參見表1，不同存儲深度對開關電源DC 12V輸出紋波和噪聲測試結果的影響）。

常見開關電源的頻率一般為200kHz左右，由于開關信號中常常存在工頻調制的緣故，工程師至少需要捕獲1個工頻周期或半周期，甚至更多周期的波形。開關信號典型上升時間約100ns，若要保證精確重建波形，上升沿至少要有5個采樣點，采樣間隔要小于100ns/5=20ns，采樣率即為50MSa/s。如需觀察單個工頻周期20ms的波形，那存儲深度至少要1Mpts。

采樣率（50MSa/s）× 采樣時間（20ms）=存儲深度（1Mpts）

如下TI公司的CSD95379Q3M功率 MOSFET 模塊產品，開關頻率可達2MHz，最小PWM上升時間40ns，對應的存儲即為至少2.5Mpts。

當然，對于工程師而言，存儲深度越高越好，以減少存儲限制對示波器參數設置的影響，方便操作。市面上主流示波器存儲深度大多在2-10Mpts，而Rigol DS4000/DS6000系列示波器，最高存儲深度可達140Mpts，完全顛覆示波器行業主流機種存儲深度的限制。

示波器的本底噪聲與量化誤差

市面上絕大多數的數字示波器，ADC采樣芯片均是8位，量化等級為256級。示波器ADC位數很難提高，主要是因為更高位數ADC的采樣速度很難提高，難以覆蓋高帶寬、高采樣率的用戶需求。近年來，有廠商推出ADC位數在10位（由硬件實現）的示波器，也有通過增強軟件算法實現位數達12位以上，但極其昂貴的價格讓大多數用戶望而卻步！

工程師如何利用好現有示波器或者采用較為經濟的方案，才是極為難得的干貨！

示波器在不同垂直檔位下的本底噪聲不盡相同，這會對紋波和噪聲的測量結果造成影響。對于待測信號而言，合適的垂直檔位設置極為重要。示波器的最小檔位一般為1-2mV/div（如Rigol DS6000/DS4000系列，DS2000A系列甚至可達500uV/div），測試時盡量選用更小的檔位，以得到更為精確的測試結果。

當待測信號較小時，先將示波器垂直檔位粗調到合適檔位，再打開微調功能，使波形占據更多垂直刻度格數，但又不超出屏幕以外，這樣可以提高示波器的動態有效位，使得電壓測試更為精確。

如下為不同存儲深度對開關電源DC 12V輸出紋波和噪聲測試結果的影響

（5ms/div時基、4.7mV/div垂直檔位、20MHz帶寬限制、AC耦合）

140Mpts存儲深度 采樣率可達2GSa/s, 測量結果：峰峰值32.50mVpp 有效值6.821mVrms

14Mpts存儲深度 采樣率可達125MSa/s, 測量結果：峰峰值32.00mVpp 有效值6.305mVrms

1.4Mpts存儲深度 采樣率可達12.5MSa/s, 測量結果：峰峰值30.00mVpp 有效值3.522mVrms

140kpts存儲深度 采樣率可達1.25MSa/s, 測量結果：峰峰值24.21mVpp 有效值2.205mVrms