硬件设计7---什么是纹波、噪声、过冲、回沟？

时间：2018.2.4 作者：Tom   工作：HWE 说明：如需转载，请注明出处。 说明：如需转载，请注明出处。

在实际开发中，一定会遇到纹波、噪声、过冲、回沟。这四个问题经常出现在两种环境中：信号线和电源线。这里我们主要讨论在电源线即电源模块中的纹波、噪声、过冲、回沟。

1.什么是纹波？

1.1 纹波的产生

百度百科中介绍："纹波是由于直流稳定电源的电压波动而造成的一种现象，因为直流稳定电源一般是由交流电源经整流稳压、滤波等环节而形成的，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成分，这就不可避免地在直流稳定量中多少带有一些交流成份，这种叠加在直流稳定量上的交流分量就称之为纹波。纹波的成分较为复杂，它的形态一般为频率高于工频的类似正弦波的谐波，另一种则是宽度很窄的脉冲波。"，一般我们看到的纹波的形式如下图所示，一般我们会认为是有点像锯齿波。

https://wenku.baidu.com/view/5efc6a53f01dc281e53af02d.html

由此我们知道，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。

1.2纹波的表示方法及及其危害

表示方法：

可以用有效值或者峰值来表示，或者使用绝对量、相对量来表示。一般情况下，公司会使用峰峰值，也就是压差（波峰波谷相减）的绝对值来表示，同时会比较相对量是否满足标准要求。

单位：mV

举个例子来说明下：

假如我们使用DC/DC输出3.3V的电，使用示波器有源探棒，调节端口为DC耦合（如果是无源探棒，则使用AC耦合，并调节偏置为3.3V），测试得到的纹波结果为±25mV（无源探棒测试结果对应为3.3V±25mV），那么我们可以说此DC/DC输出的纹波为50mV，这个是绝对量，而相对量即纹波系数 = 纹波电压/输出电压 = 50mV/3.3V=1.51%。

纹波的危害：

容易在电器上产生谐波，而谐波会产生更多的危害；
降低了电源的效率；
较强的纹波或造成浪涌电压或电流的产生，导致烧毁用电器件；
会干扰数字电路的逻辑关系，影响正常工作；
会带来噪音干扰，使得图像设备、音响设备不能正常工作。

1.3纹波分类及其抑制方法

首先需要说明的是不管是哪种纹波，减小纹波最有效的方法一般有四种：

1）输出用π型电路滤波，LC滤波；

2）增大电容；

对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK型为例，是SWITcH附近)，并联电容来提供电流。

3）增大电感；

电感的选取，一般还要考虑到电感的额定电流大小。一般情况下在电路设计阶段需要选择比额定电感要大的电感。

4）合理布线。

需要说明的是，在实际调试过程中，要多方面尝试，因为有时单独增加电容和电感，效果并不理想！！！

输出纹波从频谱上分主要由低频纹波、开关频率纹波和高频纹波三个方面组成。

　　开关电源的输出纹波噪声主要来源于五个方面：低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声、闭环调节控制引起的纹波噪声。

1）低频纹波：

低频纹波与输出电路的滤波电容容量相关。电容的容量不可能无限制地增加，导致输出低频纹波的残留。低频纹波是输入整流纹波通过DC/DC变换器传递到输出的，它的大小取决于整流滤波电容器的电容量和反馈调节回路的调节器性能。

交流纹波经DC/DC变换器衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。

低频纹波抑制的几种常用的方法：

加大输出低频滤波的电感、电容参数；

电容上的纹波有两个成分，一个是充放电时的电压升降量，一个是电流进出电容时ESR上的电压降量。

通过输出纹波与输出电容的关系式：

Vripple=Imax/（Co * f）

可以看出加大输出电容值可以减小纹波。或者考虑采用并联的方式减小ESR值，或者使用LOW ESR的电容。

2.采用前馈控制方法，降低低频纹波分量

其目的是加速系统的响应速度，改善系统的调节品质。

2）高频纹波：

高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路。通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换后整流滤波再实现稳压输出的，在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波，其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关；

设计中尽量提高功率变换器的工作频率，可以减少对高频开关滤波的滤波要求。

高频纹波抑制常用的方法有以下几种：

提高开关电源工作频率，以提高高频纹波频率，其纹波电流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。

2.加大输出高频滤波器，可以抑制输出高频纹波

3.采用多级滤波：一般滤波多采用C型、LC型、CLC型，为了更好的抑制纹波，可以采用增加多一级LC滤波。

3）共模纹波噪声：

由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容，导线存在寄生电感，因此当矩形波电压作用于功率器件时，开关电源的输出端因此会产生共模纹波噪声。

减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容，并在输出侧加共模抑制电感及电容，可减小输出的共模纹波噪声。

4）超高频谐振噪声：

超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振，频率一般为1～10MHz。

通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。

5）闭环调节控制引起的噪声：

这个可以联系在电阻章节讲到的为什么DC/DC输出反馈分压电阻为什么是1%精度，这一块也涉及到噪声的产生。

在开关直流电源中，往往因调节器参数选择不适当会引起输出纹波的增大，这部分纹波可通过以下方法进行抑制。

a、在调节器输出增加对地的补偿网络，调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹波增大。

b、合理选择闭环调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数，开环放大倍数过大有时会引起调节器的振荡或自激，使输出纹彼含量增加，过小的开环放大倍数使输出电压稳定性变差及纹波含量增加，所以调节器的开环放大倍数及闭环调节器的参数要合理选取，调试中要根据负载状况进行调节。

c、在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节，使延时滞后降到最小，以增加闭环调节的快速性和及时性，对抑制输出电压纹波是有益的。

开关电源的PCB设计非常重要，PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差，严重时甚至可能导致自激（一般在特定的负载下发生）。原则是取样回路和滤波回路要尽量贴近开关电源IC，PCB走线不可太长、太细。

2.什么是噪声？

2.1噪声的产生

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。

SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。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。

2.2噪声与纹波的区别

在工程上，在对电源进行测试时，一般并不刻意地把纹波和噪声分开，测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰峰值表示。上述纹波的分类其实已经包含了噪声。

一般情况下，在测试过程中，我们测试DC/DC电源的输出为纹波测试，最远端芯片IC电源管脚的接收端为噪声测试。

3.纹波噪声测试标准及测试方法？

测试报告，在百度上随便搜索一个来看看，https://wenku.baidu.com/view/ab3dd79cd5bbfd0a7856735f.html。

测试方法，请参考这个文档---如何使用示波器测试纹波噪声：http://www.elecfans.com/instrument/413406.html。这里在我们实际测试时能够控制的三点进行简单说明：

1）纹波和噪声是两种不同的概念，在对电源进行测试时，一般并不刻意的去把他们分开，我们关注的是接受供电的电路、仪器、仪表是否会收到影响，所以我们测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰峰值（Vp-p）表示。
2）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。
3）避免仪器设备引起测试误差----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，即为靠测法。

4.什么是过冲、下冲、振铃？

什么是过冲(overshoot)：过冲就是第一个峰值或谷值超过设定电压——对于上升沿是指最高电压而对于下降沿是指最低电压。

什么是下冲(undershoot)：下冲是指下一个谷值或峰值。过分的过冲能够引起保护二极管工作，导致过早地失效。过分的下冲能够引起假的时钟或数据错误(误作)。

什么是振铃（ringing）：过冲非常相关的是振铃，它紧随过冲发生，信号会跌落到低于稳态值，然后可能会反弹到高于稳态，这个过程可能持续一段时间，直到稳定接近于稳态。振铃持续的时间也叫做安定时间。振荡(ringing)和环绕振荡(rounding)的现象是反复出现过冲和下冲。

信号的振荡和环绕振荡由线上过度的电感和电容引起，振荡属于欠阻尼状态而环绕振荡属于过阻尼状态。信号完整性问题通常发生在周期信号中,如时钟等，振荡和环绕振荡同反射一样也是由多种因素引起的，振荡可以通过适当的端接予以减小，但是不可能完全消除。

振铃现象产生的原因：

信号传输过程中感受到阻抗的变化，就会发生信号的反射。这个信号可能是驱动端发出的信号，也可能是远端反射回来的反射信号。根据反射系数的公式，当信号感受到阻抗变小，就会发生负反射，反射的负电压会使信号产生下冲。信号在驱动端和远端负载之间多次反射，其结果就是信号振铃。大多数芯片的输出阻抗都很低，如果输出阻抗小于PCB走线的特性阻抗，那么在没有源端端接的情况下，必然产生信号振铃。https://wenku.baidu.com/view/806844552f60ddccda38a0aa.html。

http://www.elecfans.com/article/83/116/2016/20161219460361.html。

在图一中，蓝，红，绿三条曲线分别为欠阻尼（<1），临界阻尼（=1），过阻尼（>1）时，对应的阶跃波形。

反射电压在A点和B点之间来回反弹，而引起B点电压不稳定。观察B点电压：5.5V->1.84V->4.28V->……，可见B点电压会有上下波动，这就是信号振铃。下图为B点电压随反射次数的变化示意图。

5.什么是回沟？

上电过程电源不是线性增加，而会出现电压降低的现象，如图所示，称为上电回沟。

这个问题觉得应该分两种情况分析:

1）高速电路上信号线的回钩：反射，串扰，负载瞬变。。。。

2）电源电路上的回钩：和上电时序有一定关系。。。。

下面我们分析一下产生回沟的原因：

上电时序：线性上电时，后端的电突然起来导致有回沟。
芯片自身的电压倒灌。上电回沟的问题，如果你认为你的上电时序设计的没问题，那么还要考察一下芯片自己的问题，打个比方，芯片有3.3V和1.5V的输入，1.5V先上电，3.3V后上电，现象是 3.3V有回沟，如果芯片自身的问题，则1.5V上电后，对3.3V有一定的倒灌，这样3.3V在没给电之前有一个台阶，是否在这个台阶上继续上升到3.3V，还是跌落一些，然后再到3.3V，这个要看3.3V电源的输出MOS管在工作的时候，是先上管开，还是下管开，如果是先下管开，相对于对地放电，这个时候，3.3V就有回沟了。
电源负载突然增加或者变动。芯片启动过程中，负载启动大量电流消耗造成的

解决方法：

保证上电顺序，可以在DC/DC的EN管脚加上RC延时电路。
电源芯片的输出端加电容，用于储能蓄电。

6.解决上述问题思想

1）解决问题的时候要看下毛刺的频率。对于纹波噪声这种东西其实最能够看明白的是在频域，但实际开发过程中，示波器看到的是时域信号。，然后根据电容表进行适当选取电容的容值。

2）先看输入，再看输出。首先要保证输入是符合规范，再看下输出是什么情况。

3）上电时序也很关键。不管电源是什么问题，尽量都看下上电时序，输入输出的上电时序。

4）负载绝对是影响电源质量的关键因素之一。容性负载和感性负载的电源信号质量不一样的。

5）解决电源问题的三大法宝：电容、电感、延时。一般都是加大………..

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