一文吃透電源中的紋波、噪聲和諧波
紋波：是附着於直流電平之上的包含周期性與隨機性成分的雜波信號。指在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出電壓中的交流電壓的峰值。狹義上的紋波電壓，是指輸出直流電壓中含有的工頻交流成分。
噪聲：對於電子線路中所標稱的噪聲，可以概括地認為，它是對目的信號以外的所有信號的一個總稱。最初人們把造成收音機這類音響設備所發出噪聲的那些電子信號，稱為噪聲。但是，一些非目的的電子信號對電子線路造成的后果並非都和聲音有關，因而，后來人們逐步擴大了噪聲概念。例如，把造成視屏幕有白斑條紋的那些電子信號也稱為噪聲。可能以說，電路中除目的的信號以外的一切信號，不管它對電路是否造成影響，都可稱為噪聲。例如，電源電壓中的紋波或自激振盪，可對電路造成不良影響，使音響裝置發出交流聲或導致電路誤動作，但有時也許並不導致上述后果。對於這種紋波或振盪，都應稱為電路的一種噪聲。又有某一頻率的無線電波信號，對需要接收這種信號的接收機來講，它是正常的目的信號，而對另一接收機它就是一種非目的信號，即是噪聲。在電子學中常使用干擾這個術語，有時會與噪聲的概念相混淆，其實，是有區別的。噪聲是一種電子信號，而干擾是指的某種效應，是由於噪聲原因對電路造成的一種不良反應。而電路中存在着噪聲，卻不一定就有干擾。在數字電路中。往往可以用示波器觀察到在正常的脈沖信號上混有一些小的尖峰脈沖是所不期望的，而是一種噪聲。但由於電路特性關系，這些小尖峰脈沖還不致於使數字電路的邏輯受到影響而發生混亂，所以可以認為是沒有干擾。
當一個噪聲電壓大到足以使電路受到干擾時，該噪聲電壓就稱為干擾電壓。而一個電路或一個器件，當它還能保持正常工作時所加的最大噪聲電壓，稱為該電路或器件的抗干擾容限或抗擾度。一般說來，噪聲很難消除，但可以設法降低噪聲的強度或提高電路的抗擾度，以使噪聲不致於形成干擾。
諧波：是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大於基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由於交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。
諧波產生的原因：由於正弦電壓加壓於非線性負載，當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，基波電流發生畸變就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。
開關電源（包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊）與線性電源相比較，最突出的優點是轉換效率高，一般可達80%～85%，高的可達90%～97%；其次，開關電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應用范圍越來越廣。但開關電源的缺點是由於其開關管工作於高頻開關狀態，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右（低的為輸出電壓的0.5%左右），最好產品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV；而線性電源的調整管工作於線性狀態，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。
簡單地介紹開關電源產生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標准及減小紋波和噪聲的措施。
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。
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或者通過電源線輸入開關電源。
開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成，也稱為開關噪聲。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。
利用示波器可以看到紋波和噪聲的波形，如圖1所示。紋波的頻率與開關管頻率相同，而噪聲的頻率是開關管的兩倍。紋波電壓的峰峰值和噪聲電壓的峰峰值之和就是紋波和噪聲電壓，其單位是mVp-p。
紋波和噪聲電壓是開關電源的主要性能參數之一，因此如何精准測量是一個十分重要問題。目前測量紋波和噪聲電壓是利用寬頻帶示波器來測量的方法，它能精准地測出紋波和噪聲電壓值。
由於開關電源的品種繁多（有不同的拓撲、工作頻率、輸出功率、不同的技術要求等），但是各生產廠家都采用示波器測量法，僅測量裝置上不完全相同，因此各廠對不同開關電源的測量都有自己的標准，即企業標准。
用示波器測量紋波和噪聲的裝置的框圖如圖2所示。它由被測開關電源、負載、示波器及測量連線組成。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。
從圖2來看，似乎與其他測波形電路沒有什么區別，但實際上要求不同。測紋波和噪聲電壓的要求如下：
雙絞線測量裝置如圖3所示。采用300mm（12英寸）長、#16AWG線規組成的雙絞線與被測開關電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。在雙絞線末端接一個4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業標准為20MHz）的示波器。在測量點連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。
平行線測量裝置如圖4所示。圖4中，C1是多層陶瓷電容（MLCC），容量為1μF，C2是鉭電解電容，容量是10μF。兩條平行銅箔帶的電壓降之和小於輸出電壓值的2%。該測量方法的優點是與實際工作環境比較接近，缺點是較容易撿拾EMI干擾。
圖5所示為一種專用示波器探頭直接與波測電源靠接。專用示波器探頭上有個地線環，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環接觸電源的負極（GND），接觸要可靠。
這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因為通用示波器探頭的地線不屏蔽且較長，容易撿拾外界電磁場的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受干擾的影響越大，如圖6所示。
這里介紹兩種同軸電纜測量裝置。圖7是在被測電源的輸出端接R、C電路后經輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端；圖8是同軸電纜直接接電源輸出端，在同軸電纜的兩端串接1個0.68μF陶瓷電容及1個47Ω/1w碳膜電阻后接入示波器。T形BNC連接器和電容電阻的連接如圖9所示。
以上介紹了多種測量裝置，同一個被測電源若采用不同的測量裝置，其測量的結果是不相同的，若能采用一樣的標准測量裝置來測，則測量的結果才有可比性。
國家標准規定在被測電源輸出正、負端小於150mm處並聯兩個電容C2及C3，C2為22μF電解電容，C3為0.47μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負載及不超過1.5m長的50Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻R和串接一個4700pF的電容C1后接入示波器，示波器的帶寬為100MHz。同軸電纜的兩端連接線應盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。另外，連接負載的線若越長，則測出的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必要連接C2及C3。若示波器探頭的地線太長，則紋波和噪聲的測量不可能精確。
另外，測試應在溫室條件下，被測電源應輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負載電流。
開關電源除開關噪聲外，在AC/DC轉換器中輸入的市電經全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖11所示（圖a是全波整流、濾波電路，b是電壓及電流波形）。電流波形中有高次諧波，它會增加噪聲輸出。良好的開關電源（AC/DC轉換器）在電路增加了功率因數校正（PFC）電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數提高到0.95左右，減小了對電網的污染。電路圖如圖12所示。
開關電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓撲，各部分電路的設計及PCB設計有關。例如，采用多相輸出結構，可有效地降低紋波輸出。現在的開關電源的開關頻率越來越高；低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達1MHz以上。因此產生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲最簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。
可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖13所示（EMI濾波器也稱為電源濾波器）。
采用高分子聚合物固態電解質的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的，其特點是尺寸小而電容量大，高頻下ESR阻抗低，允許紋波電流大。它最適用於高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如，一種高分子聚合物鉭固態電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時的等效串聯電阻（ESR）最大值為25mΩ，最大的允許紋波電流（在100kHz時）為2400mArms，其尺寸為：7.3mm（長）×4.3mm（寬）×1.8mm（高），其型號為10TPE68M（貼片或封裝）。
若采用普通的鋁電解電容作輸出電容，額定電壓10V、額定電容量100μF，在20℃、120Hz時的等效串聯電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA。它只能工作於10kHz左右，無法在高頻（100kHz以上的頻率）下工作，再增加電容量也無效，因為超過10kHz時，它已成電感特性了。
某些開關頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容（MLCC）或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯，其價位要比高分子聚合物固態電解質電容要低得多。
為減小輸出噪聲，電源的開關頻率應與系統中的頻率同步，即開關電源采用外同步輸入系統的頻率，使開關的頻率與系統的頻率相同。
在同一塊PCB上可能有多個模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、並且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或將其適當遠離，減少其相互影響的干擾。
為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖14所示。圖14左圖是單輸出，圖14右圖是雙輸出。
在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動問題，LC的諧振頻率必須與開關頻率要錯開以避免相互干擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。
在開關電源或模塊電源輸出后再加一個低壓差線性穩壓器（LDO）能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要（見圖15），輸出噪聲可達μV級。
由於LDO的壓差（輸入與輸出電壓的差值）僅幾百mV，則在開關電源的輸出略高於LDO幾百mV就可以輸出標准電壓了，並且其損耗也不大。
有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，並且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時效率可達99%。
輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，並且能改善動態響應及減小輸出電容。
很多人在測試紋波和噪聲時往往會出現上百mv，或者幾百mv，遠遠比說明書提供的紋波值大很多，這主要是測試方法不正確造成的。造成對紋波測試的幾點誤區。
這種認為是不正確的。輸出紋波的頻率和電源的開關頻率相同，而開關頻率目前一般從幾十KHZ到幾MHZ,另外由開關器件所造成的干擾也小於20MHZ，帶寬限制在20MHZ，也是避免外界的高頻噪聲影響紋波的測試。一般情況下，模塊使用說明書都會提到該模塊在測試紋波時所選用的示波器測試帶寬。通常沒有特殊說明，紋波測試的帶寬一般設定為20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ帶寬限制功能。
測試方法的選擇在目前是存在較大爭議的，同一個模塊采用不同的測試方法會得到不同的結果。目前行業內普遍流行的有靠測法、雙絞線法、平行線法、50歐同軸電纜測試四種方法，其目的只有一個，就是真實客觀的測試模塊的輸出紋波。而用戶在使用中因為種種客觀因素一般采用的是甩線法，就是拿示波器探頭、地線夾直接接在模塊的輸出管腳測試，這種方法不能說不正確，但會對測試結果帶來很大的不同，一般可達到上百或者幾百毫伏的紋波。
示波器探頭的地線長度約13cm，自身電感約為80nH，共模電流會在地線夾子上產生一定量不可忽略的尖峰電壓。在實際測試時，地線夾通常會以環形出現，所以很容易接收到空間輻射。測試端子和地線夾構成的環路就像天線一樣在工作，地線環的面積越大，開關過程中獲取的噪聲就越大，影響到紋波的正確測試。為減小地線夾過長所造成的影響，探頭應該直接靠在輸出管腳兩端，這樣信號和地相連處的地線環面積就很小了，這就是靠測法。測試時去掉示波器探頭的地線夾和探頭帽子，直接靠在輸出管腳上進行測試，如果輸出管腳間距稍大，示波器探頭不能直接靠上，可以用自制地線環進行測試，如下圖所示。
（左）使用地線夾直接測試 （右）采用靠測法測試對於一些需要低紋波輸出的特定場合，需要采取特定的設計方案，采用甩線法測試也能得到比較小的紋波。西安偉京電子制造有限公司推出了兩款輸入16VDC—40VDC,輸出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六種輸出電壓，輸出功率15W,內置輸入濾波器輸出低紋波的高可靠軍用電源模塊，一種采用全金屬氣密性封裝，一種采用優良導熱灌封膠的五面體金屬結構，兩種模塊采用甩線法測試20MHZ帶寬，紋波在20—50mv,並且該模塊不用外加濾波器可以通過GJB151-97中CE102的要求。
測試電源紋波和噪聲的時候，選擇20MHZ的帶寬是為了測試電源自身是否滿足要求，對於電源這種低頻信號而言，20MHZ帶寬已經足夠了。有一疑問：為什么不在示波器上選擇全帶寬?選擇全帶寬是怕受到高頻信號的干擾，而無法測試出電源本身的問題?但是電源對於電路板而言很重要，如果高頻信號也對此有大的干擾，那么電路板就不能正常工作，是不是也應當測試高頻信號對電源的干擾？
我個人認為，為了准確的測量電源紋波信號，就需要把直流以上的噪聲完全測試出來，所以不進行帶寬限制是最好的，不知道我這個觀點是否正確？我的問題的出發點就是想盡量准確的把IC端電源噪聲測量出來。如果來一個20M的 帶寬限制，其測試到的結果明顯偏小，就反應不了真實的情況。此時，很有可能隨着IC的門電路的翻轉，電源上有20M以上，且幅度比較大的噪聲存在，這個噪聲有可能使IC的輸出特性變差。如果我測不到這個噪聲，我就可能無法找出合適的電容來把這個噪聲濾掉，從而不能解決電源噪聲引起的問題。不知我的這個理解是否正確？
選擇20M的目的只是要將紋波測試出來，這個是電源的指標。但是對於單板來講，測試電壓的紋波還是需要使用全帶寬去測試，驗證單板電源的穩定性。
因為電源的紋波和噪聲主要來自開關管，而電源的開關管工作在40多KHz,所以選擇20MHz的帶寬來測試。
擾在電路板中主要指的是EMI問題，從能量的角度考慮，電源的能量是最強的，它可以產生很強的磁場，對其它信號的干擾最大，而高頻信號的電壓一般在700mv左右，且信號能產生的磁場很弱，相對於電源而言，對電源的影響很小，可以不計。
對於電源紋波和噪聲，個人認為電源紋波應該使用20MHz的帶寬來測試，而測試噪聲的時候，要使用全帶寬的來測試。原因是：對於紋波來講，是電源輸出的時候，電源自身的開關頻率引起的，而在測試的時候使用20MHz的帶寬，就是為了把高頻的噪聲去掉，為了抓到真實的紋波。而對噪聲來講，要分選取的測試點，一般測試芯片的電源輸入的是放在芯片的接收端，在接受端測試實際的電源噪聲，一般是有一定的范圍要求的，如果超過這個要求，也是需要處理的。而在問題中擔心高頻噪聲在電源自身有影響，這個基本不用擔心，在電源的輸出端一般都是有小的濾波電容進行濾除高頻的噪聲，如果測試電源輸出端有很大的噪聲，建議需要處理一下，用小電容將這部分濾掉。
要把紋波和噪聲分開來看，紋波是由電容的充放電，PWM調解產生（當然，這里也有一部分低頻噪聲），一次電源的波紋還和50HZ的工頻有關。就像問題中所說的那樣，電源的頻率很低，20MHZ保證測出來的是電源本身的問題，而不是高頻干擾。而在噪聲的測試中，是要求把示波器打到全帶寬的，這樣來捕獲全帶寬下開關電源的噪聲。而在定義噪聲的指標時，一般要考慮噪聲和直流壓降一起對后端用電芯片的影響，也就是說，噪聲要占用直流壓降的工作范圍。因此，的確要測試高頻信號對后端用電芯片的影響，而這一影響，就用噪聲來體現。以上是我對紋波噪聲的理解，里面會有一錯誤和遺漏的地方，請指出，謝謝！
對於電源噪聲，我認為在單獨的對電源電路進行測試時，需要進行20MHz限制，這樣可以發現電源本身有沒有問題，整版的測試需要在電源OK的基礎上進行。一般情況下，我們會在IC的power腳都會加0.1uF進行退耦處理，這個處理其實就是對耦合到電源上的高頻雜波的濾除。當然，如果可以在全帶寬的情況通過spec要求，這個就更好了。其實談到0.1uF的退耦，我有個疑惑，為什么目前電路速度越來越快，但是0.1uF雷打不動？0.1uF究竟對哪個頻段工作最有效？在整版都跑1G/2.5G甚至10G的情況下，有沒有必要將這顆電容值減小？期待得到你的幫助，謝謝！
紋波和噪聲的測試首選使用同軸電纜紋波需要選擇20M帶寬，噪聲的測試需要使用全頻帶，因為有時信號需要以電源平面作為參考面走線，必要時 使用頻譜分析儀分析高頻噪聲的頻段。
示波器在模擬前端和數字化過程中會存在垂直噪聲，示波器是測量儀器，示波器帶寬越寬，垂直噪聲就越大，而嚴重的垂直噪聲會影響如下幾點:
這個疑問很有道理的，在我們測試中，我們知道電源板內基本都是低頻信號， 最高頻莫過於控制芯片的時鍾。當然不可否定電源其他干擾源的影響，這些在EMC實驗中都會做實驗的； 另外，電源輸出測試，我們也測試20M帶寬、200M帶寬下信號和紋波，這我們都有標准的， 兩個帶寬下得測試只是在示波器帶寬切換而已，非常容易，測試一下，但也無妨。
關於這個問題，我的看法是：選擇全帶寬是怕受到高頻信號的干擾，而無法測試出電源本身的問題。但這個高頻信號是從場空間通過示波器探頭耦合進去的，並不是電源自身產生的。所以電源供電的電路板可以正常工作，測試電源時也無須測試高頻信號對電源的干擾。但是現在有的開關電源為了提高效率，單位功率等指標，將開關頻率做得很高，如Vicor的電源好多開關頻率都在1MHz左右，此時對電台等對頻段敏感的應用，就需要全波段考查，否則會引起頻段混疊，電台收發出錯。
業界一般都是使用20MHz帶寬測量的電源模塊/DC-DC等主供電設備電源輸出噪聲的，如果測量IC管腳處的噪聲，則另當別論。 電源噪聲（紋波)： 噪聲包含很多種的成分（底噪，文波等），是一個籠統的說法。 紋波代表有固定頻率的波， 在電源里主要是開關頻率對應的噪聲（紋波），故有時電源噪聲和紋波通用。一點個人見解，未必准確。
電源噪聲/電源紋波的說法容易產生歧義，電源工程師關心的是電源模塊本身的噪聲與紋波指標，SI/PI工程師更關注PDN（電源分配網絡）的噪聲指標，這個噪聲是由於IC的開關造成的，業界也稱為?I噪聲，有個經典的公式說明PDN的噪聲來源： 其一是dI，其二是供電回路電感L（在回路非理想時，阻抗不為零，電感是一定有的），PI設計就是盡可能控制這個L