在电源设计领域，电源纹波是一个至关重要的考量参数，也是电力工程师日常工作中常见的测试项目。本文将深入探讨电源纹波的产生原因以及详细的测试方法。需要注意的是，文中所提及的 “电源纹波”，特指输出中的交流分量。由于直流输出中的交流电压未能被完全抑制，从而导致直流电压呈现出周期性的变化。
下面我们将详细描述各种类型的电源纹波。
首先以降压（buck）电路为例进行说明。降压电路的开关器件以特定频率导通或关断。当器件开关时会产生与开关周期一致的开关纹波。开关纹波的频率范围通常为几十 kHz 至几 MHz。开关纹波是工作的固有特性，其频率与开关频率相关。在降压电路中，开关管的导通和关断会使中的电流发生变化，从而在输出端产生与开关周期相同的纹波。这种纹波的频率取决于开关管的开关频率，一般在几十 kHz 到几 MHz 之间。
由于电路中寄生电感和电容的影响，实际中的开关电源还会随着开关管的导通和截止瞬间产生高频开关噪声。开关噪声的频率高于开关频率，其幅值与寄生参数和 PCB 布局有较大关联。在开关电源中，寄生电感和电容会在开关管导通和截止的瞬间产生高频振荡，从而形成高频开关噪声。这种噪声的频率通常高于开关频率，其幅值大小与电路中的寄生参数以及 PCB 布局密切相关。合理的 PCB 布局和元件选择可以有效降低高频开关噪声的幅值。
在某些应用场景中，负载电流会快速变化。电流的剧烈变化会导致输出电压的波动。在一些动态负载应用中，如电机驱动、射频功放等，负载电流会随着工作状态的变化而快速改变。这种电流的剧烈变化会使电源输出电压产生波动，形成负载变化引入的纹波。负载变化引入的纹波大小与负载电流的变化率以及电源的响应速度有关。
很多实际应用都对电源纹波有严格的要求。例如，射频（RF）电路、高速时钟和一些高速接口对开关纹波以及全带宽的纹波都有严格要求。在射频电路中，电源纹波会干扰射频信号的传输，导致信号失真和噪声增加；高速时钟电路对时钟信号的稳定性要求极高，电源纹波会影响时钟信号的精度和抖动；高速接口如 USB、HDMI 等对电源纹波也有严格的要求，以确保数据传输的可靠性。
示波器是测量纹波常用的仪器。选择示波器时有两个主要考量因素：
- 带宽选择：选择在所需范围内工作的示波器。例如，要测量 500mHz 的纹波，就不能使用 100mHz 示波器来测试并生成数据。示波器的带宽决定了它能够准确测量的信号频率范围。如果示波器的带宽不足，将无法准确测量高频纹波信号，导致测量结果不准确。
- 探头类型：常见的探头类型包括电压探头、同轴和差分探头。不同类型的探头具有不同的特性和适用场景。电压探头适用于一般的电压测量；同轴电缆具有较低的寄生参数，适用于高频纹波的测量；差分探头可以有效抑制共模噪声，适用于测量差分信号或存在较大共模干扰的场合。
本文将重点介绍如何通过电压探头和同轴电缆进行测试。
电压探头必须经过事先校准。无衰减 1 倍探头的输入阻抗可以忽略。当示波器内部阻抗为 1MΩ 时，总输入阻抗也为 1MΩ。高阻抗 10 倍探头的输入阻抗为 9MΩ，当示波器内部输入阻抗为 1MΩ 时，总输入阻抗为 10MΩ。如果采用 10 倍探头，信号通过阻抗匹配后有 10 倍的衰减；而衰减比越高，信噪比越低。由于纹波属于小信号，用 1 倍探头无需阻抗匹配，信号没有失真，会更加适合。
测试方法也同样重要。示波器探头的地线就相当于一个小电感，它产生的失真振铃将会影响测试结果。通常我们建议采用环法进行测试。如果无法使用示波器的环，也可以用焊锡丝代替。测试时，探头应直接放在电容两端，以尽量减小测试电路。对于开关纹波测试，建议将示波器的带宽限制在 20mHz，以尽量降低测试技术和探头的影响。
我们还建议测试开关纹波的累积值，用以验证电源的稳定性，并确保无振荡。有些负载对高频噪声有特殊的要求，需要在全带宽范围内进行测试。一般推荐使用同轴电缆进行测试。因为相比同轴电缆，环测试的接地阻抗和测试环路仍然偏大。
同轴电缆是有极性的。将同轴电缆焊接到输出电容的正负端可以产生更真实的波形。对于需要在更高和更低温度下测试纹波的高可靠性产品，同轴电缆更加理想，它可以与为 IC 供电的设备放在一起，尤其是放在高温或低温箱中时，不会因缆线过长而导致测试结果失真。
