干貨分享丨為什么紋波噪聲不滿足規格
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2024-10-25
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一、輸出紋波噪聲的由來
紋波的定義：紋波是指在直流電壓或電流上，有規律的疊加在直流穩定量上的交流分量。也就是說現實中的電壓和電流并不像我們想象中的是完全穩定完美的一條直線，而是疊加有很多的波動，并且這些波動的頻率是固定的，我們把這些波動叫做紋波。
噪聲的定義：噪聲是指疊加在紋波之上，非連續存在并無規律的電壓或者電流尖峰。也就是說噪聲指的是疊加在紋波上的雜波，并且噪聲的頻率并不完全固定統一，存在一定的偶然性。
如果我們想要徹底的解決紋波和噪聲，那就需要從根源上了解清楚紋波噪聲產生的原因。我們以開關電源為例，通常我們在電源模塊的輸出端測試到的紋波噪聲它的產生原因大致如下：開關器件動作、輸入前端低頻紋波、線路寄生參數及耦合等引起。
這些紋波噪聲最終疊加在電源模塊的輸出，給各種不同的負載進行供電，也帶來了一堆的問題。當電源的紋波噪聲過大時，它們可能會影響運放的精度，干擾AD或者DA模塊的工作，使得整機的精度大幅度下降。
二、為什么紋波噪聲會不滿足規格
通常，電源模塊經過整改設計，輸出紋波噪聲都能限制在比較低的水平內，但在實際的電源應用中，帶上各種類型的負載仍然會出現紋波噪聲超規格的情況，這是為什么呢？
輸出紋波噪聲超出規格有三個原因：
原因一：地線環引入高頻信號干擾，示波器帶寬設置較大
①判斷方法：檢查測試紋波噪聲的方法是否符合技術手冊上的推薦方法和接線方法；
②解決辦法：使用正確的測試方法，不恰當的測試方法會使得測試失真，導致結果誤判等等問題。通常在紋波噪聲測試的時候我們會進行帶寬的限制，這主要取決于被測模塊的工作頻率段。以電源模塊為例，通常電源模塊的工作頻率都在500KHz以下，開關噪聲的頻率也大部分在5MHz以下，因此在測試的過程中，建議將帶寬限制在20MHz內，這樣才可以確保所測試到的是真實的電源產生的紋波噪聲。同時在測試時，為避免示波器的供電電源的地線上會引入干擾，建議將示波器電源線上的地腳剪掉。
常規的測試方法為平行線測試法和靠測法，平行線測試法如下：
圖中電容器C1為陶瓷電容；C2為電解電容，默認C1、C2分別為1uF、10uF；
靠測法如下：
相對于常規的甩線測試，靠測法主要是減小了地線環的面積，避免在測試的過程中在地線環路中耦合到干擾，影響了測試結果。主要的方法是像圖中所述，將地線夾子去掉，直接使用探頭上的環銅作為地使用。這樣可以有效的避免外接電磁環境對測試的影響。
原因二：隔離電源模塊N線或輸入大地對輸出負極短接
①判斷方法：排查是否把電源模塊N線/輸入地--輸出地短接，排查后端負載板是否存在負極接地點。
②解決辦法：實際應用中不建議把隔離電源模塊N線/輸入地--輸出地共接，如果實際應用需求負極接地且對EMC、紋波噪聲要求不高或是對隔離電壓沒有要求情況下可以共地使用。
原因三：電源模塊附近有大功率、強干擾設備或部件
電源也是一種敏感設備，也極易受環境的干擾而出現問題，例如空間的干擾、線路的耦合等等，亦或是電源負載存在一定頻率的噪聲，都有可能使電源的輸出紋波噪聲超規格。
①解決辦法：
a、應用系統布局將電源塊模遠離大功率設備；
b、電源模塊前端加濾波外圍電路；
c、電源模塊輸出端引線縮短以減少噪聲耦合，有條件必要時可用金屬殼屏蔽外界干擾。
三、如何進一步減小紋波噪聲
在一些音頻及視頻的系統中，甚至會因為紋波噪聲過大，導致圖像顯示異常、音頻工作故障，因此在系統的設計中，降低各個器件的紋波噪聲顯的尤為重要。
1.降低輸入前端的低頻紋波：
通常情況下低頻的紋波相對噪聲要好處理的很多，只需要增加濾波措施就可以將它們解決。一說到濾波措施，首當其沖想到的就是各種類型的電容及電感濾波電路：LC、Π型濾波等等。或者在一些條件允許的系統中，也可以在前端及后端增加穩壓器件，來降低紋波噪聲，在這種情況下該部分的紋波噪聲則完全由穩壓器件的性能決定。同時針對不同頻率的紋波對應的濾波器件也會有所不同，通常電解電容用于濾除低頻紋波，而陶瓷電容則對中高頻濾波效果較好，因此在頻率100KHz以上的開關電源后面我們建議使用陶瓷電容，這樣濾波效果會更好。
2、降低線路寄生及耦合導致的紋波噪聲：
在電源模塊中帶來該類型的紋波噪聲的通常是導線上的寄生電容電感、變壓器的寄生電容電感、不同器件之間的寄生電感電容等等。這一類型的紋波噪聲通常以共模的形式存在，因此降低這種類型的紋波噪聲的方法除了盡可能的從設計上改善以上寄生參數外（如優化工藝設計及PCB走線等等），還可以施加共模濾波方案。如下圖的共模電容及共模電感為常規的共模濾波器件：
