谐波、纹波、噪声详解

纹波

纹波：是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号。指

在额定输出电压、电流的情况下，输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹

波电压，是指输出直流电压中含有的工频交流成分。

纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频（中国是50Hz）的类

似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。对于不同的场合，对纹波的

要求各不一样。对于电容器来说，无论是哪一种纹波，只要不是太大，一般对

电容器质量不会造成影响。

而对工控机电源或音响设备中所使用的电源，由于宽度很窄的脉冲没有足

够的能量来推动喇叭的纸盆或话机的听筒而形成杂音。因此对于这种窄脉冲的

要求可以放宽。

而对于音频范围内的类似正弦波的纹波信号，虽然其幅度不是太高，但其

能量却使喇叭或听筒发生嗡嗡的杂音。因此对这种形态的纹波应有一定的要求，而对于用于一些控制的场合，由于窄脉冲达到一定的高度会干扰数字或逻辑控

制部件，使设备运行的可靠性降低，因此对这种窄脉冲的幅度应有一定的限制，而对类似正弦波的纹波，一般由于其幅度较低，对控制部件的干扰不大。

纹波的表示方法可以用有效值或峰值来表示，可以用绝对量，也可以用相

对量来表示。例如一个电源工作在稳压状态，其输出为100V/5A，测得纹波的

有效值为10mV，这10mV就是纹波的绝对量，而相对量即纹波系数=纹波电压

/输出电压=10mv/100V=0.01%，即等于万分之一。

纹波就是一个直流电压中的交流成分。直流电压本来应该是一个固定的值，但是很多时候它是通过交流电压整流、滤波后得来的，由于滤波不干净，就会

有剩余的交流成分，即便如此，就是用电池供电也因负载的波动而产生波纹。

事实上，即便是最好的基准电压源器件，其输出电压也是有波纹的。

要体验，可以用示波器来看，就会看到电压上下轻微波动，就像水纹一样，所以叫做纹波。一般使用交流毫伏表来测量纹波电压，因为交流毫伏表只对交

流电压响应，并且灵敏度比较高，可测量很小的交流电压，而纹波往往是比较

小的交流电压。如果没有交流毫伏表，也可使用示波器来测量。将示波器的输

入设置为交流耦合，调整Y轴增益，使波形大小合适，读出电压值，可估算出纹波电压的大小。

噪声

噪声：对于电子线路中所标称的噪声，可以概括地认为，它是对目的信号

以外的所有信号的一个总称。最初人们把造成收音机这类音响设备所发出噪声

的那些电子信号，称为噪声。但是，一些非目的的电子信号对电子线路造成的

后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。例如，把造成

视屏幕有白斑条纹的那些电子信号也称为噪声。可能以说，电路中除目的的信

号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都可称为噪声。例如，电源

电压中的纹波或自激振荡，可对电路造成不良影响，使音响装置发出交流声或

导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。对于这种纹波或振荡，都应

称为电路的一种噪声。又有某一频率的无线电波信号，对需要接收这种信号的

接收机来讲，它是正常的目的信号，而对另一接收机它就是一种非目的信号，

即是噪声。在电子学中常使用干扰这个术语，有时会与噪声的概念相混淆，其实，是有区别的。噪声是一种电子信号，而干扰是指的某种效应，是由于噪声

原因对电路造成的一种不良反应。而电路中存在着噪声，却不一定就有干扰。

在数字电路中。往往可以用示波器观察到在正常的脉冲信号上混有一些小的尖

峰脉冲是所不期望的，而是一种噪声。但由于电路特性关系，这些小尖峰脉冲

还不致于使数字电路的逻辑受到影响而发生混乱，所以可以认为是没有干扰。

当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。而

一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压，称为该

电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来，噪声很难消除，但可以设法降

低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。

例如，把造成视屏幕有白班呀条纹的那些电子信号也称为噪声。可能以说，电路中除目的的信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都

可称为噪声。例如，电源电压中的纹波或自激振荡，可对电路造成不良影响，使音响装置发出交流声或导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。

谐波

谐波：是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期

性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不

同的成分都可以称之为谐波。

谐波产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，当电流流经负载时，

与所加的电压不呈线性关系，基波电流发生畸变就形成非正弦电流，即电路中

有谐波产生。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。下面主要讲解开关电源中的纹波和噪声

开关电源（包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块）与线性电源相比较，最突出的优点是转换效率高，一般可达80%～85%，高的可

达90%～97%；其次，开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器，不仅

重量减轻，体积也减小了，因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于

其开关管工作于高频开关状态，输出的纹波和噪声电压较大，一般为输出电压

的1%左右（低的为输出电压的0.5%左右），最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV；而线性电源的调整管工作于线性状态，无纹波电压，输出的噪声电压也

较小，其单位是μV。

简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量

标准及减小纹波和噪声的措施。

纹波和噪声产生的原因

开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和

噪声造成的。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。

噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁

场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间

产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中

的寄生状态及PCB的设计有关。

利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图1所示。纹波的频率与开关

管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的

峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。

图1 纹波和噪声的波形

纹波和噪声的测量方法

纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一

个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，它能精准地测出纹波和噪声电压值。

由于开关电源的品种繁多（有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的

技术要求等），但是各生产厂家都采用示波器测量法，仅测量装置上不完全相同，因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准，即企业标准。

用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图2所示。它由被测开关电源、

负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。

图2 示波器测量框图

从图2来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。

测纹波和噪声电压的要求如下：

● 要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受EMI的影响；

● 要防止负载电路中可能产生的EMI干扰；● 对小型开关型模块电源，由于

内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。

为满足第1条要求，测量连线应尽量短，并采用双绞线（消除共模噪声干扰）或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量

点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第

2点，负载应采用阻性假负载。

经常有这样的情况发生，用户买回的开关电源或模块电源，在测量纹波和

噪声这一性能指标时，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规

格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点

的选择）不合适或采用通用的测量探头所致

双绞线测量装置双绞线测量装置如图3所示。采用300mm（12英寸）长、

#16AWG线规组成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连接，在+OUT与-OUT

之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TμF电解电容（钽电容）后输入带宽为50MHz（有的企业标准为20MHz）的示波器。在测量点连接时，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

图3 双绞线测量装置

这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。

平行线测量装置平行线测量装置如图4所示。图4中，C1是多层陶瓷电容（MLCC），容量为1μF，C2是钽电解电容，容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI干扰。

图4 平行线测量装置

专用示波器探头图5所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极（GND），接触要可靠。

图5 示波器探头的接法

这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如图6所示。

图6 通用探头易造成干扰

同轴电缆测量装置这里介绍两种同轴电缆测量装置。图7是在被测电源的输出端接R、C电路后经输入同轴电缆（50Ω）后接示波器的AC输入端；图8是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆的两端串接1个0.68μF陶瓷电容及1个47Ω/1w碳膜电阻后接入示波器。T形BNC连接器和电容电阻的连接如图9所示。

图7 同轴电缆测量装置1

图8 同轴电缆测量装置2

图9 T形BNC连接器和电容电阻的连接

纹波和噪声的测量标准以上介绍了多种测量装置，同一个被测电源若采用不同的测量装置，其测量的结果是不相同的，若能采用一样的标准测量装置来测，则测量的结果才有可比性。

图10 测量标准的测量装置

国家标准规定在被测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及

C3，C2为22μF电解电容，C3为0.47μF薄膜电容。在这两个电容的连接端接负载及不超过1.5m长的50Ω同轴电缆，同轴电缆的另一端连接一个50Ω的电阻R和串接一个4700pF的电容C1后接入示波器，示波器的带宽为100MHz。同

轴电缆的两端连接线应尽可能地短，以防止捡拾辐射的噪声。另外，连接负载

的线若越长，则测出的纹波和噪声电压越大，在这情况下有必要连接C2及C3。若示波器探头的地线太长，则纹波和噪声的测量不可能精确。

另外，测试应在温室条件下，被测电源应输入正常的电压，输出额定电压

及额定负载电流。

减小纹波和噪声电压的措施

开关电源除开关噪声外，在AC/DC转换器中输入的市电经全波整流及电容

滤波，电流波形为脉冲，如图11所示（图a是全波整流、滤波电路，b是电压

及电流波形）。电流波形中有高次谐波，它会增加噪声输出。良好的开关电源（AC/DC转换器）在电路增加了功率因数校正（PFC）电路，使输出电流近似正

弦波，降低高次谐波，功率因数提高到0.95左右，减小了对电网的污染。电路图如图12所示。

图11 开关电源整流波形

图12 开关电源PFC

电路开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑，各部

分电路的设计及PCB设计有关。例如，采用多相输出结构，可有效地降低纹波

输出。现在的开关电源的开关频率越来越高；低的是几十kHz，一般是几百kHz，而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高，要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。

减少EMI的措施可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从

电源线输入的电磁干扰，在电源输入端加EMI滤波器，如图13所示（EMI滤波

器也称为电源滤波器）。

图13 开关电源加EMI滤波

在输出端采用高频性能好、ESR低的电容采用高分子聚合物固态电解质的铝或

钽电解电容作输出电容是最佳的，其特点是尺寸小而电容量大，高频下ESR阻

抗低，允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转

换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如，一种高分子聚合物钽固态电解电容

为68μF，其在20℃、100kHz时的等效串联电阻（ESR）最大值为25mΩ，最大的允许纹波电流（在100kHz时）为2400mArms，其尺寸为：7.3mm（长）

×4.3mm（宽）×1.8mm（高），其型号为10TPE68M（贴片或封装）。

纹波电压ΔVOUT为：ΔVOUT=ΔIOUT×ESR （1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，则ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的铝电解电容作输出电容，额定电压10V、额定电容量100μF，在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω，最大纹波电流为70mA。它只能工

作于10kHz左右，无法在高频（100kHz以上的频率）下工作，再增加电容量也

无效，因为超过10kHz时，它已成电感特性了。

某些开关频率在100kHz到几百kHz之间的电源，采用多层陶电容（MLCC）或钽电解电容作输出电容的效果也不错，其价位要比高分子聚合物固态电解质

电容要低得多。

采用与产品系统的频率同步为减小输出噪声，电源的开关频率应与系统中的频

率同步，即开关电源采用外同步输入系统的频率，使开关的频率与系统的频率

相同。

避免多个模块电源之间相互干扰在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近，则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离，减少其相互影响的干扰。增加LC滤波器为减小模块电源的纹波和噪声，可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器，如图14所示。图14左图是单输出，图14右图是双输出。

图14 在DC/DC模块中加入LC滤波器

在表1及表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压时

的电容值。要注意的是，电容量不能过大而造起动问题，LC的谐振频率必须与

开关频率要错开以避免相互干扰，L采用μH极的，其直流电阻要低，以免影

响输出电压精度。

表1和表2

增加LDO在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器（LDO）能大幅度地降低输出噪声，以满足对噪声特别有要求的电路需要（见图15），输出

噪声可达μV级。

图15 在电源中加入LDO

由于LDO的压差（输入与输出电压的差值）仅几百mV，则在开关电源的输出略

高于LDO几百mV就可以输出标准电压了，并且其损耗也不大。

增加有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器有源EMI滤波器可在150kHz～

30MHz间衰减共模和差模噪声，并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时，

可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声，在满载时效率可达99%。

输出纹波衰减器可在1～500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上，并且能改善动态响应及减小输出电容。

很多人在测试纹波和噪声时往往会出现上百mv，或者几百mv，远远比说明书提供的纹波值大很多，这主要是测试方法不正确造成的。造成对纹波测试的

几点误区。

误区一：测试带宽的选择，带宽越大测试越准确这种认为是不正确的。输

出纹波的频率和电源的开关频率相同，而开关频率目前一般从几十KHZ到几MHZ,另外由开关器件所造成的干扰也小于20MHZ，带宽限制在20MHZ，也是避免外界的高频噪声影响纹波的测试。一般情况下，模块使用说明书都会提到该模

块在测试纹波时所选用的示波器测试带宽。通常没有特殊说明，纹波测试的带

宽一般设定为20MHZ。目前市面上的示波器都有20MHZ带宽限制功能。

误区二：测试方法的选择测试方法的选择在目前是存在较大争议的，同一

个模块采用不同的测试方法会得到不同的结果。目前行业内普遍流行的有靠测法、双绞线法、平行线法、50欧同轴电缆测试四种方法，其目的只有一个，就

是真实客观的测试模块的输出纹波。而用户在使用中因为种种客观因素一般采

用的是甩线法，就是拿示波器探头、地线夹直接接在模块的输出管脚测试，这

种方法不能说不正确，但会对测试结果带来很大的不同，一般可达到上百或者

几百毫伏的纹波。

示波器探头的地线长度约13cm，自身电感约为80nH，共模电流会在地线夹子上产生一定量不可忽略的尖峰电压。在实际测试时，地线夹通常会以环形出现，所以很容易接收到空间辐射。测试端子和地线夹构成的环路就像天线一样

在工作，地线环的面积越大，开关过程中获取的噪声就越大，影响到纹波的正

确测试。为减小地线夹过长所造成的影响，探头应该直接靠在输出管脚两端，

这样信号和地相连处的地线环面积就很小了，这就是靠测法。测试时去掉示波

器探头的地线夹和探头帽子，直接靠在输出管脚上进行测试，如果输出管脚间

距稍大，示波器探头不能直接靠上，可以用自制地线环进行测试，如下图所示。

（左）使用地线夹直接测试（右）采用靠测法测试

对于一些需要低纹波输出的特定场合，需要采取特定的设计方案，采用甩

线法测试也能得到比较小的纹波。西安伟京电子制造有限公司推出了两款输入

16VDC—40VDC,输出5VDC、12VDC、15VDC、±5VDC、±12VDC、±15VDC 六种输

出电压，输出功率15W,内置输入滤波器输出低纹波的高可靠军用电源模块，一

种采用全金属气密性封装，一种采用优良导热灌封胶的五面体金属结构，两种

模块采用甩线法测试20MHZ带宽，纹波在20—50mv,并且该模块不用外加滤波

器可以通过GJB151-97中CE102的要求。