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深圳市邁昂科技有限公司
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閱讀：3發布時間：2025-3-27
伴隨著科技的飛速發展，電子產品的種類日漸增多，性能也逐步提高，并已滲透到人類生產生活的各方各面。電子產品的內部電路高度集成化，計算速度也越來越快。而工程師在設計下一代電子產品時，對于超低功耗(Ultra-LowPower)以及更快系統時鐘和超高數據速率的追求，延續了電源直流電壓越來越低、輸出電壓精度要求越來越高的趨勢。
這種趨勢讓電源設計面臨嚴峻挑戰，絕大部分電子產品設計團隊現在都需要考慮直流電源的信號完整性問題。開關電源中濾波電路的缺陷以及開關管通斷產生的高頻噪聲，會引起紋波和噪聲的產生。這不僅會降低電源效率，而且有可能引發干擾和故障。在數字電路中，直流電源的噪聲也會是系統時鐘和數據抖動的重要貢獻者。
因而，能夠擁有一臺可測量直流電源微小變化，并能觀察到信號更多細節的高精度儀表，同時又對直流電源紋波和噪聲的測量方法了如指掌，將會是對電源設計工程師更高的基本要求。
那首先，讓我們先對直流電源紋波及噪聲有一個初步的認識，然后針對測量中常遇到的疑惑或者影響測量的諸多因素做簡要分析，同時提出相應的解決方案。
直流電壓/電流中，疊加在直流穩定量上的交流分量，用電壓和電流的均方根值(mVrms/mArms)或峰峰值（mVpp/mApp）來表示。
紋波和噪聲是直流電平上的雜波信號，包含周期性與隨機性兩種成分。其中，周期性成分在直流電壓上下輕微波動，就像水平面上波動的水紋一樣，所以被稱之為紋波。紋波的頻率，通常由開關頻率的基波和諧波組成。噪聲主要由開關管導通或截止瞬間產生的高頻脈沖引起，當然也有電源受到的外界電磁場輻射或傳導干擾的影響。紋波和噪聲無法避免，只能通過相應設計將其減少到合理程度，比如使用合適的濾波器來濾除。
6、帶來噪聲干擾，引起音頻、視頻設備產生噪音或畫面不穩定。
紋波和噪聲的主要來源：
1、低頻紋波：
主要是由50Hz工頻及其諧波成分組成，幅值小，容易濾除，線性直流電源的紋波甚至可以做到1mVrms以下。
2、高頻紋波：
主要是來源于開關電路，開關管在導通和截止的過程中會形成高頻干擾。與此同時，二極管在反向恢復瞬間，相當于一個電阻和電感的串聯等效電路，引起諧振。高頻變壓器的漏感，也會形成高頻干擾。高頻紋波，幅值通常會比低頻紋波大許多。
通常情況下，高頻紋波的大小與開關電源的頻率以及輸出濾波器相關聯。頻率越高、濾波器電感和電容值越大，輸出紋波越小。
3、共模噪聲
功率器件與散熱器底板和變壓器原邊及副邊之間存在寄生電容，導線也存在寄生電感。當電壓作用于功率器件時，導致開關電源輸出端形成共模噪聲。
4、開關器件形成的紋波
開關管的導通和截止，會引起電感中的電流隨著輸出電流的有效值上下波動，故而在電源輸出端能看到與開關頻率一致的紋波。
5、調節控制環路引起的紋波和噪聲
開關電源中的控制回路，并不是實時響應，有一定的響應時間，無法做到的線性調節。進而導致輸出電壓在瞬間會忽高忽低的變化，造成電源的振蕩，形成紋波和噪聲。
影響電源紋波和噪聲測試精度的主要是因素：
1、探頭衰減系數
示波器有源探頭或標配無源探頭，一般都是10X衰減比例，和示波器連接后，最小垂直刻度會從1mV/div變成10mV/div。此時示波器的本底噪聲會對小電壓的紋波和噪聲測量結果影響很大。故而在測量非常微弱的信號時，要求使用1X衰減比例的探頭或無源傳輸線探頭直接將信號引入示波器。
2、探頭接地方式
示波器探頭，有接地鱷魚夾和接地彈簧針2種接地方式可以選擇。接地鱷魚夾由于使用方便，受到大多數工程師的青睞。但在測試電源紋波和噪聲等微弱信號時，需要考慮地線回路對測量的影響。若地線過長或接地點與信號點離得太遠，可能會引入高速芯片的近場EMI輻射噪聲。
為減小探頭在電源附近受電磁輻射的影響，有以下方法可以參考使用：
①摘去示波器探頭帽和接地鱷魚夾；
②使用接地彈簧針，并選擇離信號點最近的接地點接地；
③在探頭接入點并聯小電解電容或瓷片電容；
此外，將示波器探頭引線繞在鐵芯上，以減小共模電流，此操作不會對差分電壓測試有影響，但會降低由共模電流引起測量誤差的共模電感。在隔離電源中，共模電流是由探頭接地引線中的電流形成的。這使得電源地和示波器地之間形成電壓降，表現為紋波。
3、示波器耦合方式、直流偏置的范圍
AC耦合方式
還可以濾除被測信號的直流分量，示波器僅觀察被測信號的交流分量；
還可以配合更小的示波器垂直檔位，觀察電源紋波和噪聲等交流分量的細節。
DC耦合方式和直流偏置的范圍
被測信號含有的直流分量和交流分量都可以在示波器上觀察；
還可以同時觀察0V電平與直流輸出電平，但若需觀察電源紋波和噪聲的局部放大細節，則需要示波器有足夠的電壓偏置的范圍。
4、輸入阻抗
通常情況下，示波器無源探頭大多數都是1MΩ以上的高阻輸入阻抗，對應的示波器通道也需要設置1MΩ高阻輸入。
當使用1X的傳輸線探頭，示波器若設置為高阻輸入，則會造成與同軸電纜的50Ω阻抗不匹配，引起電源噪聲的反射，測量所得到的結果往往會大于50Ω示波器輸入阻抗的真實測試結果。使用1X傳輸線探頭時，示波器通道輸入阻抗應當選擇50Ω匹配阻抗。
主要是因為示波器選擇50Ω輸入阻抗，耦合方式只能選擇DC耦合。而示波器的偏置的范圍有限，故而對于輸出電壓較大的電源，還需要增加隔直電路。
5、示波器垂直檔位（垂直靈敏度）
通常情況下，示波器的最小垂直檔位有2~4mV/div。市面上也有為了測量更小電壓信號而設計的示波器，其垂直檔位最小還可以到1mV/div（如RigolDS4000/6000系列），甚至500uV/div（如RigolDS2000A系列）。
示波器還可以通過調節合適的垂直檔位，使波形整體呈現在屏幕上。Rigol示波器還支持垂直檔位微調功能，在更小的范圍內進一步調整垂直檔位，以改善ENOB（動態有效位）。如果輸入的波形幅度在當前檔位略大于滿刻度，而使用下一檔位波形顯示的幅度又稍低，則還可以使用微調改善波形顯示幅度，方便觀察信號細節。
垂直檔位的調節的范圍與當前設置的探頭比例有關。默認情況下，探頭衰減比例為1X，垂直檔位的調節的范圍為1mV/div至5V/div。若探頭比衰減比例為10X，垂直檔位的調節的范圍即調整為10mV/div至50V/div。
示波器在測試5V的直流電壓時，要想觀察到mV級的紋波電壓變化細節，必然要將垂直檔位盡量調到較小檔位上進行測量。
而在1mV/div這么小的垂直檔位上，示波器的動態范圍僅±4-5mV（視示波器垂直檔位格數而定）。5V電壓對于±5mV的動態范圍顯然太大，無法在垂直格數僅8-10div的示波器上觀察。故而需要使用AC耦合方式濾除直流分量，或者調節垂直偏置電壓到5V，這樣就可以觀察到紋波和噪聲的信號細節。一般而言，示波器很難調節到如此大的偏置電壓，故而使用AC耦合方式居多。
6、帶寬限制
由電源引起的紋波噪聲頻率通常都比較低，因而在進行電源紋波和噪聲測量時，常常使用帶寬限制功能，以隔離高頻噪聲對測試結果的影響。帶寬限制的參數，大多數選擇在20MHz；若要評估所有頻段或部分頻段上電源的噪聲情況，則需要選擇其他的限制帶寬參數，如100MHz/200MHz/250MHz。
7、測試環境
不一樣的測試環境，也可能會得到不一樣的測試結果?？梢砸幎ㄒ韵聹y試要求：
①溫濕度：室內，溫度(20±5)℃，濕度小于80%；
②盡量減少對測量有影響的機械震動及電磁干擾；
③測量儀器與待測電源放置在以上的測試環境下24h以上；
④測量儀器在進行正式測量之前，預熱半小時以上。
8、其他因素
①測試時，要求在加載狀態下進行測量；
②電源的負載要選擇純阻性負載，也可使用電子負載；
③負載拉載時，要使直流電源輸出電流大于電源額定輸出電流的80%以上；
④接線要盡可能短，以減少測量系統從外界引入的噪聲影響。
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