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子慕云，达尔闻入驻分享者，知乎汽车电子专栏Top100撰稿人，拥有17年工作经验的高级硬件/电源工程师，用多年工作经验告诉大家关于电源纹波的那些知识。如果你对电源设计有更多想看、想学的，请持续关注“达尔闻说”，也可在文末留言。
电源性能最直观的表现是电源纹波，所谓电源的纹波就是指电源输出电压的波动。电源纹波指标是开关电源模块或者 DC/DC 的一项很重要的参数。
如果是开关电源，输出纹波是有规律的摆动，摆动的频率等于开关频率。纹波的形成是因为电流流过输出电容在电容的ESR上所引起的压降，开关电源中不断地有脉动的电流流经电容，所以它的纹波的频率等于开关频率。
然后，细心的你还会发现，脉动的电压波动上叠加了细细的“针针”，这是开关电源开关信号所引起的开关噪音。因此，准确地说，电源的输出波动实际上有两个部分组成，纹波与噪音。
前面已提及纹波的形成是因为脉动的电流流过输出电容，然后在电容的ESR上所形成的压降，所以要想消灭纹波是不可能的，只能是尽可能地去减小。
而叠加在纹波上的噪音却是有机会得到改善的，在开关电源中，开关管引起的开关噪音会叠加到输出电压上，然后因为其频率很多，很难被滤波器滤除，所以容易扩散至整个PCB板子，引起EMC问题。干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声进行测量。为了叙述的方便，我们一般把输出电压的波动统称为纹波，但是我们在内心深处必须时刻有一个根深蒂固的概念，我们在测试时实际上是为了获取两个信息：纹波电压以及噪音。
测试电源纹波可以将示波器硬件带宽限制到 20MHz。主要是为了避免数字电路的高频噪声影响纹波的测量，尽量保证测量的准确性。如果开关频率较高，也可以考虑设置示波器硬件带宽为 200MHz。◆ 调节示波器的垂直刻度尽量将波形展开占屏幕垂直 6-7 格。比如测试 10mV 级的纹波和噪声，可以调节垂直刻度到 1.5mV/Div，采用这一设置的目的是尽量用足示波器 ADC 的显示线性范围。◆ 设置示波器的波形采集或捕获方式为12bit 高分辨率模式。高分辨率模式(High Resolution Mode)相对一般采样模式(Sampling Mode)主要是将若干个采样点组成一组做平均，将这个平均值作为采样结果保存到采样存储器中，因此这时示波器的显示采样率会下降。这种平均类似滤波的效果，可以有效降低示波器的噪声。鉴于纹波的重复性特征，还可以采用平均模式(Average)以获得更佳的测试和测量结果。必须说明的是，采用高分辨率模式时会降低示波器的数字带宽。因此在测试高频噪声和干扰时不建议采用高分辨率模式。在测量时，探头接地线应尽量短以免接地线耦合其它干扰和噪声，长地线的寄生电感还会降低测试带宽。使用纹波帽，这样可以保证测量路径最短，引入的噪音最少。× 错误测试姿势：引入或者说吸收了噪音，使得测试所得的结果偏离实际情况。× 错误测试姿势：多余闲置的探棒没有移除，人为地引入噪音。
纹波电压的形成与脉动电流和电容的ESR相关，所以在测试时需要分别测试不同负载电流下的纹波电压，这是基于不同的脉动电流的考量。最需要的注意的是不要人为地增加ESR，所以测试时需要在输出电容的两端就近测量，否则路径会额外增加ESR值。前文讲了如何正确地测量纹波，为什么要这么做，这样做的原理是什么，等等。很多事情算是老生常谈了，相信多数人是知道的并且很熟悉的。在这里，我想再提一个概念，优雅地测试。前面是谈如何正确地测量。正确测量是一个技术问题，有具体的操作步骤和规范，而优雅是一个态度问题，很多时候你会发现两个不同的人基于同样的仪器和操作手册却得到了不同的测量结果。下图测试人员在测试纹波时，探棒没有“站直”，斜躺着，结果很不幸躺到了电感上，而电感是辐射源。在质疑其测量结果时，他还委屈，说采用了纹波帽，而且是就近测量的啊。后来，仔细观察方才发现测量的姿势有问题。测试是为了发现问题，预警风险，包括已知的以及潜在的。如果是光测试而不解决问题等于是耍流氓。接下来，我们来谈一谈如何解决纹波相关的问题，以BUCK电路为例。
开关电源的LC滤波器几乎是没有降低纹波分量的能力的，因为纹波是脉动电流流过输出电容，在电容的ESR上引起的压降。所以，如果需要降低纹波电压，就需要降低电容的ESR，可以选用LOW ESR的电容，也可以多个电容并联来降低ESR。但是凡事都不是绝对的，如果纹波电压已经可以符合负载的需求了，就不要去追求完美了，特别是使用叠加电容的手段来降低纹波，过大的输出电容是有副作用的。开关电源的LC滤波器对开关转换时产生的边沿噪音更是无能为力，开关噪音会产生更高频的谐波，最大的恶果是对EMC性能造成负面影响。开关噪音与开关波形V_PHASE的上升/下降时间以及路径上的寄生电感息息相关，寄生电感的改善比较麻烦，与Layout设计相关，也和芯片的内部设计及性能相关。一般比较常采用的方法是降低开关信号的上升与下降时间，这样做的副作用是增加了开关过程中的交越导通损耗，在一定程度上降低了电源的效率。所以，优化输出纹波及噪音性能实际上是在寻找一个平衡点，我们需要有全局意识，切不可为了某一个单项的指标而“不折手段”。如果开关电源的MOSFET是外置的，可尝试用一个小电阻与栅极串联，但这对开通和关断电压均有影响，如果MOSFET的关闭时间过长，则有上下管直通的风险。因此，一般的原则是“打开慢一些，电流变化就会缓一些，由寄生电感产生的振铃也就会小一些；关闭的时候利索一些，不能让另一侧的管子等待太久”。如果打开与关闭的斜率无法协调，不妨尝试配置不同的栅极电阻，然后使用二极管进行隔离，如下图。
MOSFET外置，栅极串联电阻分别调整上升与下降斜率集成度高的DC-DC变换器已将MOSFET集成，所以我们无法通过栅极串电阻的方式来减缓开关斜率。在这种情况，如果上管是N-MOSFET的话，芯片会有一个ChargePump的管脚（BOOT）。可以使用一个小电阻（通常为10~20欧姆）与驱动级（BOOT）的耦合电容串联，这在一定程度上可以减缓开关的斜率，如图所示。
MOSFET集成，BOOT管脚串联电阻调整开关斜率在设计中建议预留缓冲电路（Snubber）的位置，Snubber与下管MOSFET或者续流二极管并联。在Layout设计时，snubber电路需与下管MOSFET或续流二极管紧贴，避免过孔；Snubber一般由R和C组合而成，可将电阻R放置于和地相连的那端，有助于散热。Snubber设计无明确的计算公式，因为板子的寄生参数及环境千差万别，所以基本上是靠实际调试和逐步逼近。以下调试的套路，仅供参考：
1、测量未接Snubber电路时的振荡信号周期（1/fo);2、将高频电容（Co）跨接在要吸收的器件上，确定电容的值，减缓振荡使周期是原来周期的三倍;3、确定电容之后，与电容串联的电阻可用以下公式大约估算：
有很多R和C的组合可以产生满意的波形，但上述R和C的选值应该产生最小的损耗和最有效的效果。同时，避免Snubber电路对开关波形的损伤。不管采用何种措施，开关噪音终究是无法回避的。为了减小系统的整体噪音，不得不采用围追堵截的措施。首先，在电源的“入口”阻挡（比如安放一粒100nF的旁路电容）；然后，在电源系统的内部尽量减弱噪音（减缓开关斜率、安装Snubber电路、减小寄生参数等）；最后在“出口”处，尽可能做好拦截（增加LC或Bead-C滤波器）。我们是妮mo，达尔闻创始人，只讲技术不撩汉的小姐姐。达尔闻在线教育平台旨在服务电子行业专业人士，提供技能培训视频，覆盖各细分领域热门话题，比如嵌入式，FPGA，人工智能等。并针对不同人群量身定制分层级学习内容，例如常用知识点，拆解评测，电赛/智能车/考研等，欢迎关注。
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