开关电源纹波噪声产生原因和测试方法

摘要：本文简述了开关电源纹波噪声测试方法及延伸，同时分享纹波噪声测试使用设备，以及给出纹波噪声测试的具体方法，供大家学习参考。

一、开关电源输出纹波产生原因

纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关的过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰-峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。一般我们看到的纹波和噪声的形式如下图1-1所示。

01 开关电源输出噪声产生的原因

1.开关器件的开关行为：开关电源中的开关器件（如MOSFET、IGBT等）在高速开关过程中，会引起电流和电压的急剧变化。这种瞬态变化在电源的输出端表现为电压波动，即噪声。尤其是在开关管高速开通与关断时，其导通与截止期间会产生很大的冲击电流，从而在输出端形成噪声。

2.当整流二极管由正向导通状态转变为反向截止状态时，‌会经历一个反向恢复过程。‌在这个过程中，‌已经导通的二极管在突然加上反向电压的一段时间内，‌电流下降到零以后，‌并不立刻停止导通，‌而是处于反向低阻状态。‌此时，‌在反向电压作用下，‌载流子进入复合过程，‌导致反方向继续流过电流。‌当载流子复合完毕，‌反向电流才迅速衰减到零。‌这个阶段中，‌电路产生强烈的过渡过程，‌在关断元件两端产生极高的过电压，‌即换流过电压，进而以噪声的形式体现在输出电压上。

3.尽管开关电源中通常包含滤波电路（如LC滤波器、电容滤波器等）来平滑输出电压，但这些滤波电路可能无法完全滤除高频噪声和谐波。未被滤除的部分就会在输出端形成噪声。

4.外部环境中的电磁辐射可能通过电源线、信号线或空间耦合进入开关电源的输出端，导致测试中出现高频噪声。

5.如雷电、静电等自然现象也可能对开关电源产生干扰，导致噪声的产生。

6.开关电源的PCB布局如果不合理，如开关器件、滤波电容、电感等关键元件的布局过于紧密或不合理，可能会导致电磁干扰的增加，从而增大输出噪声。

7.电路设计中元器件的参数选择不当也可能导致噪声的产生。例如，滤波电容的容量不足或ESR（等效串联电阻）过大，都会使噪声增大。

8.开关电源的结构设计如果不合理，如散热不良、屏蔽措施不到位等，也可能导致噪声的产生。

9.稳压电源芯片输出的电压不稳定时，会产生一定的纹波和噪声。这可能是由于稳压芯片的直流输出端产生误差、电源噪声的峰值幅度造成开关频率的上升沿或下降沿出现错误等原因导致的。

02 噪声与纹波的区别

在工程上，在对电源进行测试时，一般并不刻意地把纹波和噪声分开，测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰-峰值表示。

二、纹波噪声测试使用设备

通常针对开关电源纹波测试，需要以下几类设备：

1.供电电源：通常为交直流两用线性电源，满足ACDC、DCDC电源测试需求；

2.电子负载：直流电子负载，为开关电源模拟各类带载情况；

3.示波器：设置好示波器，将纹波噪声数据显示在屏幕上；

三、纹波噪声测试方法

纹波和噪声是叠加在直流输出上的周期性和随机性交流成分，它也影响着输出精度，一般对纹波和噪声示波器采用峰-峰值计量(mVp-p)，纹波属于是交流成分，所以“通道耦合”方式可使用“交流”方式，限制直流信号的输入。

第一步，先将示波器带宽设置为20MHz，可以有效滤除环境中耦合进的高频干扰；

‌电源输出时，‌电源自身的开关频率会引起纹波，‌而通过设置示波器的带宽限制为20MHz，‌可以有效地滤除高频噪声，‌从而捕捉到真实的纹波情况。‌这是因为电源的频率通常较低，‌而太高频的噪声往往是由示波器或空间辐射引起的，‌并不能真正反映电源纹波的大小。‌通过限制带宽至20MHz，‌可以确保测量结果反映的是电源本身的问题，‌而不是外部引入的高频干扰。

第二步，采用平行线测试法、双绞线法或靠测法，如图3-1 3-2。

1.平行线测试法：平行线测试法主要用于测量电源模块或信号线的纹波噪声。通过将测试线布置成平行线，可以模拟实际工作环境中的信号传输情况，从而更准确地测量纹波噪声。

优点：

①接近实际工作环境：平行线测试法能够模拟实际工作环境中的信号传输情况，提高测试结果的可靠性。

②易于实施：相对于其他复杂的测试方法，平行线测试法的实施相对简单。

注意 ：

（1）C1=1uF（高频陶瓷电容）；

（2）C2=10uF（电解电容），耐压值降额80%以上；

（3）两平行线铜箔带之间的距离为2.5mm，两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压值的2%。

2.双绞线测试法：利用双绞线的平衡传输特性，减少信号传输过程中的串扰和干扰。在数据传输和信号传输领域，双绞线因其良好的抗干扰性能而得到广泛应用。

优点：

①抗干扰能力强：双绞线的平衡传输特性能够有效减少信号传输过程中的串扰和干扰。

②传输距离远：相对于单线传输，双绞线传输能够支持更远的传输距离。

采用30cm长、#20AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的Vo及0V连接，在Vo与0V之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个10μF电解电容，在测量点连接时，一端接在Vo上，另一端接到0V上。

3.靠测法：主要用于屏蔽高频噪声干扰，以确保测试结果的准确性。在电源模块或信号传输线的测试中，高频噪声往往会对测试结果产生显著影响，而靠测法通过特定的测试布局和屏蔽措施，能够有效减少这些干扰。

优点：

①减少干扰：靠测法通过物理屏蔽和布局优化，显著降低高频噪声对测试结果的影响。

②提高精度：在减少干扰的基础上，靠测法能够提供更精确的测试结果。