电源纹波：10分钟搞懂+测量

电源纹波是指直流电源输出的电压或电流中叠加的交流成分，表现为一种周期性的波动信号。这就好比平静的湖面上吹过一阵风，泛起层层水波——这就是纹波的概念。

如下图所示——尖锐的毛刺就是电源噪声，而有规律的波动就是纹波。

我们常见的电源分为线性电源和开关电源，其输出的直流电压是由交流电压经过整流、滤波和稳压处理后获得的。然而，由于滤波效果的局限性，直流电平上往往会叠加含有周期性和随机性成分的杂波信号，这就是所谓的纹波。

在额定输出电压和电流条件下，输出直流电压中所包含的交流电压峰值通常被称为纹波电压。纹波是一种复杂的杂波信号，表现为围绕直流输出电压上下波动的周期性信号。它的周期和振幅并非固定值，而是随时间变化，并且不同电源所产生的纹波波形也各不相同。

一般来说，纹波的存在可谓百害而无一利。其主要危害包括以下几个方面：

1. 电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，从而降低电源的使用效率；  

2. 较高的纹波可能会引发浪涌电压或电流，导致电气设备运行异常或加速设备老化；  

3. 在数字电路中，纹波会干扰电路逻辑关系，影响系统的正常工作；  

4. 纹波还会对通信设备、测量和计量仪器、仪表造成噪音干扰，破坏信号的准确测量与计量，严重时甚至可能损坏设备。

因此，在设计和制作电源时，通常需要将纹波控制在百分之几以下。对于对纹波要求较高的设备，则需要进一步降低纹波至更低水平。

电源纹波的测量方法一般分为两大类：一类是针对单独电源的鉴定，另一类是产品调试中的测量。在电源行业或用户对电源进行鉴定时，要求测试环境为室内（温度约20℃），湿度小于80%，同时尽量减少机械振动和电磁干扰的影响。标准仪器与待测电源应在上述环境下放置至少24小时以上再进行测试。

对于纯电源的纹波测量，通常需要在加载条件下进行，且所加负载应使输出电流达到额定输出电流的80%以上。如果使用低噪声的纯阻性负载或电子负载，则需根据具体需求选择合适的测量标准。需要注意的是，不同的测量标准可能会导致不同的结果。

纹波电压既可以用绝对值表示，也可以用相对值表示。通常通过纹波电压与直流输出电压的比例来评估直流电源的滤波性能，这一比例被称为纹波系数。纹波系数是评价直流电源性能的重要指标之一，其计算方法为纹波电压的有效值与直流输出电压的百分比。

测量电源纹波通常使用示波器，常见的测量方法有以下三种：

接触连接法：使用带有地线环的示波器探头，将探针直接触碰正输出端的管脚，同时用地线环紧贴负输出端的管脚。这样做的目的是尽量缩短环路长度，从而通过示波器读取到的峰值即为输出线上的纹波与噪声（如下图所示）。

直接法：将地线环直接与负输出的管脚连接，利用探头接地环进行输出端测试。

绞连法：输出管脚接双绞线后接电容，在电容两端用示波器测量。

在测量纹波时，需要注意以下几点：首先，明确纹波的带宽上限。由于纹波属于低频噪声，因此建议选择带宽不超过其上限太多的示波器。测量前，需开启示波器的带宽限制功能，并将带宽设定为20MHz。同时，使用探头时，应通过屏蔽地与输出地直接连接，避免因地线过长而产生的环路干扰。此外，在探头接入点处并联一个小容量的瓷片电容和一个小电解电容，以滤除外界干扰信号，防止其进入示波器。

电源输出纹波主要来源于五个方面：低频输入纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声，以及闭环调节控制导致的纹波噪声。

针对这些纹波的抑制方法通常包括：增加滤波电路中电容的容量、采用LC滤波电路、使用多级滤波电路、以线性电源替代开关电源、合理布线等。然而，根据纹波的具体分类采取有针对性的措施，往往能够达到事半功倍的效果。

### 高频纹波的抑制

高频纹波噪声主要来源于高频功率变换电路。在该电路中，输入直流电压通过高频功率器件进行变换后，经过整流滤波实现稳压输出，其中通常会包含与开关工作频率相同的高频纹波。其对外部电路的影响程度主要取决于开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数。在设计中，尽量提高功率变换器的工作频率，可以有效降低对高频开关纹波的滤波要求。

### 低频纹波的抑制

低频纹波的大小与输出电路中滤波电容的容量密切相关。然而，电容容量不能无限制地增加，因此不可避免地会残留一定的低频纹波。交流纹波经过DC/DC变换电路衰减后输出，属于低频噪声范围，其大小由控制系统的增益和DC/DC变换电路决定。由于电流型和电压型控制的DC/DC变换电路纹波抑制能力较低，且其输出端的低频交流纹波较大，因此需要对低频电源纹波采取滤波措施以实现低纹波输出。对于某些电源而言，可以通过增大DC/DC变换器闭环增益电路、采用前级预稳压电路来增强纹波抑制效果，同时也可以通过调整整流滤波器的电容量及反馈回路的参数来进一步抑制低频纹波。

### 共模纹波的抑制

共模纹波噪声通常出现在开关电源中。当矩形波电压作用于功率器件时，与功率器件、散热器底板及变压器原副边之间的寄生电容，以及导线中的寄生电感相互作用，从而产生共模纹波噪声。针对共模纹波噪声的抑制方法包括：

- 减小功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出端添加共模抑制电感及电容；

- 利用EMI滤波器有效抑制共模纹波干扰；

- 降低开关毛刺幅度。

### 闭环控制环路纹波的抑制

闭环控制环路纹波的产生原因通常是环路参数设置不当。当输出端存在波动时，反馈网络将波动电压反馈至调节器回路，导致调节器产生自激响应，从而引发附加纹波。抑制方法主要包括：合理选择环路放大倍数、抑制调节器的自激响应、确保调节器稳定性，并在电源输出端接入LDO滤波器，这是减少纹波和噪声最有效的方式之一。