如何正確地理解電源紋波、噪聲及其抑制方法

關于電源噪聲與紋波相關，是每個硬件工程師都避不開的話題。那么如何正確區分紋波與噪聲顯得尤其重要。

本篇文章針對電源紋波與噪聲做一些簡單的描述，我們先來認識一下什么是電源的紋波與噪聲。

1.什么是紋波？

1.1 紋波的產生

紋波是由于直流穩定電源的電壓波動而造成的一種現象，因為直流穩定電源一般是由交流電源經整流穩壓、濾波等環節而形成的，由于濾波不徹底，就會有剩余的交流成份，這就不可避免地在直流穩定量中多少帶有一些交流成份，這種疊加在直流穩定量上的交流分量就稱之為紋波。紋波的成分較為復雜，它的形態一般為頻率高于工頻的類似正弦波的諧波，另一種則是寬度很窄的脈沖波。一般我們看到的紋波的形式如下圖所示，有點像是鋸齒波。

由此我們知道，開關電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動，與開關電源的開關動作有關。每一個開、關過程，電能從輸入端被"泵到"輸出端，形成一個充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動，波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰值，其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。

1.2紋波的表示方法及及其危害

表示方法：可以用有效值或者峰值來表示，或者使用絕對量、相對量來表示。一般情況下，公司會使用峰峰值，也就是壓差（波峰波谷相減）的絕對值來表示，同時會比較相對量是否滿足標準要求。

單位：mV

舉個例子來說明下：假如我們使用DC/DC輸出3.3V的電，使用示波器有源探棒，調節端口為DC耦合（如果是無源探棒，則使用AC耦合，并調節偏置為3.3V），測試得到的紋波結果為±25mV（無源探棒測試結果對應為3.3V±25mV），那么我們可以說此DC/DC輸出的紋波為50mV，這個是絕對量，而相對量即紋波系數 = 紋波電壓/輸出電壓 = 50mV/3.3V=1.51%。
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紋波的危害：

①容易在電器上產生諧波，而諧波會產生更多的危害；

②降低了電源的效率；

③較強的紋波或造成浪涌電壓或電流的產生，導致燒毀用電器件；

④會干擾數字電路的邏輯關系，影響正常工作；

⑤會帶來噪音干擾，使得圖像設備、音響設備不能正常工作。
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1.3紋波分類及其抑制方法
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首先需要說明的是不管是哪種紋波，減小紋波最有效的方法一般有四種：
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1）輸出用π型電路濾波，LC濾波；
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2）增大電容；

對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK型為例，是SWITcH附近)，并聯電容來提供電流。
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3）增大電感；

電感的選取，一般還要考慮到電感的額定電流大小。一般情況下在電路設計階段需要選擇比額定電感要大的電感。
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4）合理布線。

需要說明的是，在實際調試過程中，要多方面嘗試，因為有時單獨增加電容和電感，效果并不理想。

輸出紋波從頻譜上分主要由低頻紋波、開關頻率紋波和高頻紋波三個方面組成。

2.什么是噪聲

2.1噪聲的產生
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噪聲的產生原因有兩種，一種是開關電源自身產生的；另一種是外界電磁場的干擾（EMI），它能通過輻射進入開關電源。

SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態及PCB的設計有關。

2.2噪聲與紋波的區別
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在工程上，在對電源進行測試時，一般并不刻意地把紋波和噪聲分開，測量的是紋波和噪聲兩者的合成干擾，用峰峰值表示。上述紋波的分類其實已經包含了噪聲。
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一般情況下，在測試過程中，我們測試DC/DC電源的輸出為紋波測試，最遠端芯片IC電源管腳的接收端為噪聲測試。

以上是關于開關電源紋波與噪聲總結的一些內容了。關于噪聲抑制，實際中并不一定全部應用，重要的是根據自己的設計要求，比如產品體積，成本，開發周期等，選擇合適的方法。

總之，它們在我們不需要的地方出現都是有害的，需要我們避免的。對于如何抑制和去除方式方法有很多，但想完全消除，似乎是很難辦到的，我們只有將其控制在一個允許的范圍之內，不對環境和設備產生影響就算達到了我們的目的。