如何合理測量開關電源輸出紋波噪聲

日前有用戶反映其現場測量開關電源輸出紋波噪聲峰峰值達600mV以上，嚴重超出規格。經過詳細溝通后確認用戶現場紋波噪聲測試方法與我們產品的使用手冊內推薦紋波測量方法存在明顯差異導致。一旦紋波噪聲測量方法不當，很容易導致用戶誤認為電源輸出紋波噪聲測量結果超標，給用戶帶來不必要的困擾和時間精力等損失。

受開關電源工作機理的影響，開關電源輸出不可避免地帶有交流紋波和高頻噪聲。因為不同電源廠家的測試環境和測試標準存在些許差異，所以很多用戶對如何合理測量電源輸出紋波噪聲比較困惑。

下面我們簡要介紹紋波噪聲基礎概念，基于行業通用標準分享紋波噪聲測試方法并提供幾種常見錯誤測試方法導致的結果失真。

一、紋波噪聲（Ripple & Noise）概述

紋波一般指附著于直流電平之上的包含周期性或隨機成分的雜波。用戶更關心的直流輸出狹義紋波指輸出電壓上呈現的交流成分峰峰值。開關電源輸出紋波由工頻紋波和高頻紋波兩部分組成。 噪聲是期望信號之外其他所有信號的總稱。在電路中除了期望信號之外的一切其他信號，不管它對電路是否造成影響，都可稱其為噪聲。圖1為典型紋波和噪聲示意圖。

圖1

有些用戶可能會將噪聲與干擾的概念相混淆，對其產生普遍的厭惡情緒，其實這大可不必。噪聲是一種電信號，即使電路中存在噪聲，也不一定帶來不良影響。干擾指某種與期望不相符的效應。這往往是噪聲因素對電路施加的一種不良影響。就像自然界中普遍存在的微生物一樣，噪聲也普遍存在于電路之中。當微生物數量失控并對人體造成不良影響時，才可以稱之為感染。相對應的是當一個電路中噪聲電平高到足以干擾電路正常工作時，就會造成干擾。該噪聲電平就被稱為干擾電壓。

人體普遍具備一定的免疫能力，足以應對生活中常見的微生物環境。一個設計合理的電路或元器件也應具備適當的免疫力或抗擾度。電路或元器件正常工作時所能承受的最大噪聲電平被稱為該電路或器件的抗擾度。

我們日常在注意環境衛生和控制微生物菌群數量的同時也會注意做好防護和加強鍛煉來提升免疫力。對于一般電子設備而言，追求絕對的“零噪聲”代價很高。這不符合大部分應用的效率、成本和體積等客觀條件。盡管電路中噪聲很難完全消除，我們還是可以設法降低噪聲強度并盡量提高電路的抗擾度，確保噪聲不會引起干擾現象。

二、紋波噪聲測試通用標準和企業測試規范。

業內常見的紋波噪聲測試標準有電子制造行業通用的標準規范IPC-9592B，日本電子信息技術產業協會發布的JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B。 圖2為面向計算機和通信工業電源要求的IPC-9592B中功能測試部分列出的紋波噪聲測試規范。

圖2

圖3為JEITA RC-9131B中提供的AC-DC電源輸出紋波噪聲測試規范。

圖3

圖4為JEITA RC-9141B中提供的DC-DC電源輸出紋波噪聲測試規范。

圖4

TDK旗下TDK-Lambda品牌基于JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B通用標準，對紋波測試點位置和同軸線纜特征阻抗匹配網絡參數提出了進一步細化要求。圖5和圖6分別為DC-DC模塊電源CN300B110和AC-DC電源HWS1500系列的輸出紋波噪聲測試方法。

圖5

圖6

不同的測試方法往往會得出不同的測量結果。建議用戶在測試電源輸出紋波噪聲時，盡量參考電源廠家提供的測試方法或行業通用測試標準，避免因為測試方法問題導致測量結果失真，達不到測試既定目的。

三、不同測試條件下紋波噪聲測量結果

我們以TDK-Lambda新款軌道交通行業專用模塊電源CN300B110-24為例，采用不同測試方法對其輸出紋波噪聲進行對比測試，詳細結果如下：

采用10:1低壓探頭，如圖7所示，探頭地線與探針形成大面積環路。

圖7

實際紋波測試點過于靠近電源，其紋波噪聲實際測量結果受電源近場干擾影響明顯。因為示波器地線與探頭形成的一個天線，其環路面積越大，撿拾到近場干擾的噪聲電壓越高。圖7所示的感生電壓噪聲峰峰值高達3100mV，這已經失去參考意義。這種失真的測試噪聲并非開關電源直接輸出的紋波噪聲。在實際使用中若布線恰當合理，實際上這種噪聲并不會真正出現在用戶的負載端。

2. 采用10:1低壓探頭，如圖8所示接地彈簧或螺線管方式確保探針最小環路面積，示波器低壓探頭線纜從電源上方穿過。

圖8

盡管最小化測量環路面積降低了拾取的近場輻射噪聲，但是橫跨在電源上方的探頭線纜又引入相當多的高頻噪聲，造成測量結果失真。

3.采用10:1低壓探頭，如圖9所示接地彈簧或螺線管方式確保探針最小環路面積，示波器探頭設置為全帶寬，測量紋波噪聲水平高達665mV。如圖10所示，分別將帶寬調整為100MHz和20MHz后，紋波噪聲分別降低至431mV和121mV。

圖9

圖10

4. 采用行業通用標準中推薦的1.5米長，50歐姆同軸電纜測量，無特征阻抗匹配網絡。圖11為全帶寬測試結果為141mV，圖12所示 100MHz和20MHz帶寬下分別為107mV和48mV。

圖11

圖12

5. 嚴格按照行業通用標準要求，同軸電纜外接特征阻抗匹配網絡。圖13左側為T形BNC轉接頭，內部有焊接RC阻抗匹配網絡并外加套管保護。右側全帶寬紋波噪聲測試結果為73mV，圖14所示 100MHz和20MHz帶寬下分別為60mV和36mV。

圖13

圖14

以上我們分享了同一個被測電源CN300B110-24在不同的測量設置條件下，其測量的結果大相徑庭。只有采用合理的測試規范，測量的結果才具備可參考性。

采用10:1探頭會引入較高的示波器底噪，同軸電纜若沒有阻抗匹配網絡將會導致高頻噪聲形成反射，帶來測量結果的失真。

四、小結。

隨著客戶產品性能、尺寸、效率等指標要求不斷提升，用戶對電源輸出紋波噪聲指標也愈發重視。因為測試方法不當而導致紋波噪聲水平的誤判，這會給設計人員帶來不必要的壓力，導致濾波對策或電源選型方面的過設計。如何利用合理方法來測量出“真實”的輸出紋波噪聲，相信是很多工程師關注的話題。

審核編輯：郭婷