如何合理测量开关电源输出纹波噪声

日前有用户反映其现场测量开关电源输出纹波噪声峰峰值达600mV以上，严重超出规格。经过详细沟通后确认用户现场纹波噪声测试方法与我们产品的使用手册内推荐纹波测量方法存在明显差异导致。一旦纹波噪声测量方法不当，很容易导致用户误认为电源输出纹波噪声测量结果超标，给用户带来不必要的困扰和时间精力等损失。 

受开关电源工作机理的影响，开关电源输出不可避免地带有交流纹波和高频噪声。因为不同电源厂家的测试环境和测试标准存在些许差异，所以很多用户对如何合理测量电源输出纹波噪声比较困惑。

下面我们简要介绍纹波噪声基础概念，基于行业通用标准分享纹波噪声测试方法并提供几种常见错误测试方法导致的结果失真。

一、纹波噪声（Ripple & Noise）概述

纹波一般指附着于直流电平之上的包含周期性或随机成分的杂波。用户更关心的直流输出狭义纹波指输出电压上呈现的交流成分峰峰值。开关电源输出纹波由工频纹波和高频纹波两部分组成。      噪声是期望信号之外其他所有信号的总称。在电路中除了期望信号之外的一切其他信号，不管它对电路是否造成影响，都可称其为噪声。图1为典型纹波和噪声示意图。

图1

有些用户可能会将噪声与干扰的概念相混淆，对其产生普遍的厌恶情绪，其实这大可不必。噪声是一种电信号，即使电路中存在噪声，也不一定带来不良影响。干扰指某种与期望不相符的效应。这往往是噪声因素对电路施加的一种不良影响。就像自然界中普遍存在的微生物一样，噪声也普遍存在于电路之中。当微生物数量失控并对人体造成不良影响时，才可以称之为感染。相对应的是当一个电路中噪声电平高到足以干扰电路正常工作时，就会造成干扰。该噪声电平就被称为干扰电压。

人体普遍具备一定的免疫能力，足以应对生活中常见的微生物环境。一个设计合理的电路或元器件也应具备适当的免疫力或抗扰度。电路或元器件正常工作时所能承受的最大噪声电平被称为该电路或器件的抗扰度。

我们日常在注意环境卫生和控制微生物菌群数量的同时也会注意做好防护和加强锻炼来提升免疫力。对于一般电子设备而言，追求绝对的“零噪声”代价很高。这不符合大部分应用的效率、成本和体积等客观条件。尽管电路中噪声很难完全消除，我们还是可以设法降低噪声强度并尽量提高电路的抗扰度，确保噪声不会引起干扰现象。

二、纹波噪声测试通用标准和企业测试规范。

业内常见的纹波噪声测试标准有电子制造行业通用的标准规范IPC-9592B，日本电子信息技术产业协会发布的JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B。      图2为面向计算机和通信工业电源要求的IPC-9592B中功能测试部分列出的纹波噪声测试规范。

图2

图3为JEITA RC-9131B中提供的AC-DC电源输出纹波噪声测试规范。

图3

图4为JEITA RC-9141B中提供的DC-DC电源输出纹波噪声测试规范。

图4

TDK旗下TDK-Lambda品牌基于JEITA RC-9131B和JEITA RC-9141B通用标准，对纹波测试点位置和同轴线缆特征阻抗匹配网络参数提出了进一步细化要求。图5和图6分别为DC-DC模块电源CN300B110和AC-DC电源HWS1500系列的输出纹波噪声测试方法。

图5

图6

不同的测试方法往往会得出不同的测量结果。建议用户在测试电源输出纹波噪声时，尽量参考电源厂家提供的测试方法或行业通用测试标准，避免因为测试方法问题导致测量结果失真，达不到测试既定目的。

三、不同测试条件下纹波噪声测量结果

我们以TDK-Lambda新款轨道交通行业专用模块电源CN300B110-24为例，采用不同测试方法对其输出纹波噪声进行对比测试，详细结果如下：

采用10:1低压探头，如图7所示，探头地线与探针形成大面积环路。

图7

实际纹波测试点过于靠近电源，其纹波噪声实际测量结果受电源近场干扰影响明显。因为示波器地线与探头形成的一个天线，其环路面积越大，捡拾到近场干扰的噪声电压越高。图7所示的感生电压噪声峰峰值高达3100mV，这已经失去参考意义。这种失真的测试噪声并非开关电源直接输出的纹波噪声。在实际使用中若布线恰当合理，实际上这种噪声并不会真正出现在用户的负载端。

2. 采用10:1低压探头，如图8所示接地弹簧或螺线管方式确保探针最小环路面积，示波器低压探头线缆从电源上方穿过。

图8

尽管最小化测量环路面积降低了拾取的近场辐射噪声，但是横跨在电源上方的探头线缆又引入相当多的高频噪声，造成测量结果失真。

3.采用10:1低压探头，如图9所示接地弹簧或螺线管方式确保探针最小环路面积，示波器探头设置为全带宽，测量纹波噪声水平高达665mV。如图10所示，分别将带宽调整为100MHz和20MHz后，纹波噪声分别降低至431mV和121mV。

图9

图10

4. 采用行业通用标准中推荐的1.5米长，50欧姆同轴电缆测量，无特征阻抗匹配网络。图11为全带宽测试结果为141mV，图12所示 100MHz和20MHz带宽下分别为107mV和48mV。

图11

图12

5. 严格按照行业通用标准要求，同轴电缆外接特征阻抗匹配网络。图13左侧为T形BNC转接头，内部有焊接RC阻抗匹配网络并外加套管保护。右侧全带宽纹波噪声测试结果为73mV，图14所示 100MHz和20MHz带宽下分别为60mV和36mV。

图13

图14

以上我们分享了同一个被测电源CN300B110-24在不同的测量设置条件下，其测量的结果大相径庭。只有采用合理的测试规范，测量的结果才具备可参考性。

采用10:1探头会引入较高的示波器底噪，同轴电缆若没有阻抗匹配网络将会导致高频噪声形成反射，带来测量结果的失真。

四、小结。

随着客户产品性能、尺寸、效率等指标要求不断提升，用户对电源输出纹波噪声指标也愈发重视。因为测试方法不当而导致纹波噪声水平的误判，这会给设计人员带来不必要的压力，导致滤波对策或电源选型方面的过设计。如何利用合理方法来测量出“真实”的输出纹波噪声，相信是很多工程师关注的话题。

审核编辑：郭婷