开关电源噪声和纹波测试

示波器相关问题“一周一问”之十,十一——

（2011年10月23日更新）

测试电源纹波和噪声的时候，选择20MHZ的带宽是为了测试电源自身是否满足要求，对于电源这种低频信号而言，20MHZ带宽已经足够了。有一疑问：为什么不在示波器上选择全带宽?选择全带宽是怕受到高频信号的干扰，而无法测试出电源本身的问题?但是电源对于电路板而言很重要，如果高频信号也对此有大的干扰，那么电路板就不能正常工作，是不是也应当测试高频信号对电源的干扰？

我个人认为，为了准确的测量电源纹波信号，就需要把直流以上的噪声完全测试出来，所以不进行带宽限制是最好的，不知道我这个观点是否正确？我的问题的出发点就是想尽量准确的把IC端电源噪声测量出来。如果来一个20M的带宽限制，其测试到的结果明显偏小，就反应不了真实的情况。此时，很有可能随着IC的门电路的翻转，电源上有20M以上，且幅度比较大的噪声存在，这个噪声有可能使IC的输出特性变差。如果我测不到这个噪声，我就可能无法找出合适的电容来把这个噪声滤掉，从而不能解决电源噪声引起的问题。不知我的这个理解是否正确？

选择20M的目的只是要将纹波测试出来，这个是电源的指标。但是对于单板来讲，测试电压的纹波还是需要使用全带宽去测试，验证单板电源的稳定性。

因为电源的纹波和噪声主要来自开关管，而电源的开关管工作在40多KHz,所以选择20MHz的带宽来测试。

扰在电路板中主要指的是EMI问题，从能量的角度考虑，电源的能量是最强的，它可以产生很强的磁场，对其它信号的干扰最大，而高频信号的电压一般在700mv左右，且信号能产生的磁场很弱，相对于电源而言，对电源的影响很小，可以不计。

对于电源纹波和噪声，个人认为电源纹波应该使用20MHz的带宽来测试，而测试噪声的时候，要使用全带宽的来测试。原因是：对于纹波来讲，是电源输出的时候，电源自身的开关频率引起的，而在测试的时候使用20MHz的带宽，就是为了把高频的噪声去掉，为了抓到真实的纹波。而对噪声来讲，要分选取的测试点，一般测试芯片的电源输入的是放在芯片的接收端，在接受端测试实际的电源噪声，一般是有一定的范围要求的，如果超过这个要求，也是需要处理的。而在问题中担心高频噪声在电源自身有影响，这个基本不用担心，在电源的输出端一般都是有小的滤波电容进行滤除高频的噪声，如果测试电源输出端有很大的噪声，建议需要处理一下，用小电容将这部分滤掉。

要把纹波和噪声分开来看，纹波是由电容的充放电，PWM调解产生（当然，这里也有一部分低频噪声），一次电源的波纹还和50HZ的工频有关。就像问题中所说的那样，电源的频率很低，20MHZ保证测出来的是电源本身的问题，而不是高频干扰。而在噪声的测试中，是要求把示波器打到全带宽的，这样来捕获全带宽下开关电源的噪声。而在定义噪声的指标时，一般要考虑噪声和直流压降一起对后端用电芯片的影响，也就是说，噪声要占用直流压降的工作范围。因此，的确要测试高频信号对后端用电芯片的影响，而这一影响，就用噪声来体现。以上是我对纹波噪声的理解，里面会有一错误和遗漏的地方，请指出，谢谢！

对于电源噪声，我认为在单独的对电源电路进行测试时，需要进行20MHz 限制，这样可以发现电源本身有没有问题，整版的测试需要在电源OK的基础上进行。一般情况下，我们会在IC的power脚都会加0.1uF进行退耦处理，这个处理其实就是对耦合到电源上的高频杂波的滤除。当然，如果可以在全带宽的情况通过spec要求，这个就更好了。其实谈到0.1uF的退耦，我有个疑惑，为什么目前电路速度越来越快，但是0.1uF雷打不动？0.1uF究竟对哪个频段工作最有效？在整版都跑1G/2.5G甚至10G的情况下，有没有必要将这颗电容值减小？期待得到你的帮助，谢谢！

纹波和噪声的测试首选使用同轴电缆纹波需要选择20M带宽，噪声的测试需要使用全频带，因为有时信号需要以电源平面作为参考面走线，必要时使用频谱分析仪分析高频噪声的频段。

示波器在模拟前端和数字化过程中会存在垂直噪声，示波器是测量仪器，示波器带宽越宽，垂直噪声就越大，而严重的垂直噪声会影响如下几点:

1.引入幅度测量误差；

2.引入sin(x)/x波形重建不确定度；

3.引入作为输入信号沿压摆率函数的定时误差（抖动）；

4.造成可观测到的不良胖波形；

详细细节参见：

https://www.360docs.net/doc/8211536111.html,/html/06-09/061002196813.shtml

因此，不将示波器设置成全带宽，恰恰是避免，示波器的本底噪声加入到电源中。

我觉得，高频信号不会对电源产生干扰，电源或者更多的是地，会是高频信号串扰的一个载体。电路设计中，会在电源出，并上10uf、1uf并联起来的电容，正式为了避免高频信号通过电源串扰到电路其他地方。

一般认为5M以下为电源纹波，这个纹波主要是电源的贡献（关于这块，我认同问题中说法）。对于纹波的要求一般是1％以下；

5M以上一般认为是噪声，也就是问题中说的高频信号，对于噪声一般是要求3％～5％。个人认为噪声主要是来自板上器件，这个噪声主要还是针对电源网络而言。

所以个人认为示波器设置20M测试的纹波测的是电源模块输出电源的质量，而示波器的全带宽测的是整个电源网络的电源质量，所以对电源质量要求比较高的器件（如锁相环，A/D等）全带宽的测试也是有必要的。

示波器测量电源纹波时，因为使用接地线很长的示波器探针、或者让由探针和接地线形成的回路靠近功率变压器和开关元件等情况，使示波器耦合进了一些高频干扰，这是由示波器本身的原因引入的，并不是电源输出的纹波成分，为了测量准确，所以要将对带宽有所限制，不能选择全带宽。

选择全带宽是怕受到高频信号的干扰，而无法测试出电源本身的问题。

为了保证电路板和电源正常工作，根据实际情况一般要采取在电源输出端或（和）电路板输入端加低通滤波、关键部件屏蔽等措施。电源的抗干扰能力最终也是通过测量纹波和噪声反映出来。

这个疑问很有道理的，在我们测试中，我们知道电源板内基本都是低频信号，最高频莫过于控制芯片的时钟。当然不可否定电源其他干扰源的影响，这些在EMC 实验中都会做实验的；另外，电源输出测试，我们也测试20M带宽、200M带宽下信号和纹波，这我们都有标准的，两个带宽下得测试只是在示波器带宽切换而已，非常容易，测试一下，但也无妨。

关于电源（模块电源）噪声和纹波的测量：

测试方法是：纹波测试是采用20MHZ限制带宽测试，时间格设置在开关电源PWM 频率左右。纹波是抓开关电源输出电压的波动。噪声测试必须采用全带宽测试，要求时间格在200nS/DIV

在系统板卡的模块上一般来说，纹波影响芯片的基本性能和稳定性。噪声影响收发数据可靠性，丢包，错包概率。

我对这一次的问题很感兴趣，因为我在测我电路板上的开关电源的时候

就发现开关噪声很大，这种噪声不同于纹波，在开关状态变化时均会出现，

通过很多努力，均未能消除。后来，采用接地环测试，也就是缩短试波器探

头的接地线之后，发现测量到的开关噪声就减小了很多。由此判断，我之前

测到的噪声应该是开关电源的空间干扰。后来听别人说，测纹波是要把示波

器的带宽调到20MHz, 我想可能是因为，测试电源时主要是测其电路上的指

标，故使用20MHz带宽，可滤除空间干扰。

不知道是这个原因吗？

关于这个问题，我的看法是：选择全带宽是怕受到高频信号的干扰，而无法测试出电源本身的问题。但这个高频信号是从场空间通过示波器探头耦合进去的，并不是电源自身产生的。所以电源供电的电路板可以正常工作，测试电源时也无须测试高频信号对电源的干扰。但是现在有的开关电源为了提高效率，单位功率等指标，将开关频率做得很高，如Vicor的电源好多开关频率都在1MHz左右，此时对电台等对频段敏感的应用，就需要全波段考查，否则会引起频段混叠，电台收发出错。

业界一般都是使用20MHz带宽测量的电源模块/DC-DC等主供电设备电源输出

噪声的，如果测量IC管脚处的噪声，则另当别论。电源噪声（纹波)：噪声包含很多种的成分（底噪，文波等），是一个笼统的说法。纹波代表有固定频率的波，在电源里主要是开关频率对应的噪声（纹波），故有时电源噪声和纹波通用。一点个人见解，未必准确。

其实在实际的工程开发测试在中，测试是更有针对性的，所以，以下观点我不是很赞同。实际的测试中会包括两部分：纹波测试机噪声测试。而噪声测试就是你所提到的不做带宽限制，最大可能获取真实情况。

您好！我前几天在公司内组织过一次纹波测试方面的讨论，感觉精确的测量纹波对操作者的要求比较高，需要考虑的因素很多，导致测试的一致性较差。同样的一个电路，换个人测，结果偏差就会较大，花了很大力气测出来的结果却不能让人信服！

我想问个问题，网上有人提到日本的一个纹波测量标准JEITA-RC9131A，它的适用性怎么样？谢谢！

回答18(来自三星)：

大家知道，对于电源系统来说(PDS),主要包括Source端(VRM) 和Sink端(Chip)对于Source端来讲，我们测试的是电源输出的纹波，示波器选择20MHZ 的原因是在Source端有很多电源本身的Noise Source,比如说FET,还有电感，如果用全带宽的话，几乎大部分Noise Source都会耦合到探头上面来，这样的话我们根本测试不到真正电源输出纹波。

对于Sink端来讲，相对就比较负责，我们不仅要考虑电源模块本身的Noise,还要考虑PDS中的其他因素，比如Power Plane的谐振，比如其他noise(VDC之类)耦合到Power Plane,比如芯片本身的SSN等等，这个时候如果我们用20MHZ 带宽的话，反而会遗漏掉很多电源NOISE,从而影响PI效果。

所以，我觉得在Power Source端，应该用20MHZ带宽去测试，而在SINK端得PI测试，则需要全带宽去测试(当然，也不能用太高的带宽，从经验来看，1GHz~2.5GHz的示波器比较合适。

对于单纯的电源产品，20MHz已经足够了，这是因为电源主要的功能是输出一个恒定的电压，基本上是一个直流环境，过程中不会涉及到更高速的电路；对于数字电路板上的电源，我个人还是觉得高一点带宽比较好。我们可以从设计角度想一下，随着用电器件内驱动、接收开关变化，电源网络上的电流也会随之变化，电流的变化也引起了电压的波动，这一部分的噪声占电源噪声的很大比重。

为了抑制这种噪声，我们会在电源网络上放置一定规格、数量的去耦电容，来保证这个电源网络的阻抗在有效频率内是低于目标阻抗的，从而确保电源噪声是满足要求的，这个要求是两维的。对应的，电源噪声也应该是两维的：噪声大小和有效频率。这个有效频率设置到多大没有定论，但是目前主流的数字电路板上去耦一般会设计到百兆数量级，我个人觉得数字电路板上的电源噪声测试带宽应该是与此一个数量级。

看了邮件，觉得电源噪声说法太笼统，看文章的内容，题目应该是：PDN

的?I噪声测量。有两层含义：其一，测试点在非理想电源地平面上，非电源模块

侧；其二，噪声来源应该是IC的开关造成的。要把评价电源模块噪声特性与评价PDN的概念区分开来。

电源噪声/电源纹波的说法容易产生歧义，电源工程师关心的是电源模块本身的噪声与纹波指标，SI/PI工程师更关注PDN（电源分配网络）的噪声指标，这个噪声是由于IC的开关造成的，业界也称为?I噪声，有个经典的公式说明PDN

的噪声来源：其一是dI，其二是供电回路电感L（在回路非理想时，阻抗不为零，电感是一定有的），PI设计就是尽可能控制这个L。

PDN的测试结果应该是含开关电源模块噪声的，开关电源本身的噪声在频域和?I噪声是可以区分开来的。