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，由于滤波不彻底，就会有剩余的交流成分，即使采取电池供电也会因负载的波动而产生波纹。
整流电路将交流电变为脉动的直流电，但其中仍含有大量的交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路后加滤波电路能滤去大部分交流成分。
但由于滤波电路滤波不完整， 使输出电压中仍含有一定的脉动交流成分，这种脉动交流成分称为纹波电压。经整流滤波后的输出电压经过稳压电路的稳压作用， 使纹波电压大幅度的降低，但仍不能完全滤除，降低的倍数反比于稳压系数S。
今天我们聊聊什么是电源纹波，电源纹波的产生以及他和电源噪声的区别。最后我们还会介绍几种电源纹波测试方法和案例。
开关电源的输出并不是真正恒定的，输出存在着周期性的抖动，这些抖动看上去就和水纹一样，称为纹波。纹波可以是电压波纹或电流纹波。
低频纹波：来自AC输入的周期，电源对输入的抑制比不是完美的，当输入变化，输出也会变化。
高频纹波：来自开关切换的周期，开关电源不是线性连续输出能量，而是将能量组成一个个包来传输，因此会存在和开关周期对应的纹波。
纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动，而噪声是随机耦合到 输出上的高频信号，是不一样的。
电源纹波能够理解为电源模块包括 VRM 的输出电压的波动，和复杂的供电网络无关，或是说电源输出的源端的电压的波动。它是围绕着输出的直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅并不是定值，而是跟着时间变化，并且不同电源的纹波波形也不一样。
电源噪声则是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端的电压的波动。
在理想情况下，直流电源不会产生任何噪声。那么噪声是从何而来的呢？ 电源上不可避免会产生热噪声，也就是由电子热扰动所产生的电子噪声，它会形成简单的高斯噪 声。高斯噪声通常不是最大的噪声来源。 直流电源上噪声的大多数来自是电源本身的开关噪声以及电路中器件的开关电流所引起的噪声，开 关会产生瞬态电流需求。这种因为开关事件而产生的噪声在时间上可能是随机出现的，但是它们 往往趋向于与系统中的时钟保持一致。
电源噪声从输出端经过供电网路 (PDN) 传输后到芯片管脚除了电源本身的纹波之外可能增加或者耦合进了其它电路部件的干扰比如时钟的串扰，以及电路本身工作过程中带来的其他噪声，典型的比如DDR 总线工作时的 SSN 噪声 ( Simultaneous Switching Noise ) 或者地弹 ( Ground Bounce ) 等。
我们常见的电源有线性电源和开关电源，它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净，直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号，这就产生了纹波。
通常电源纹波频率由 MOSFET 切换频率决定，在几百 KHz 到 MHz 级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右，而 SSN 噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达 GHz 级别，比如 DDR4 总线 GHz 左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。(MOSFET指金属氧化物半导体场效应晶体管。它是具有MOS结构的场效应晶体管。通常而言,MOSFET是一个三引脚器件,分别是栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。)
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，必须对电源纹波和电源噪声做测量。
传统上，工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均一下子就下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。
纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号，周期和振幅跟着时间一直在变化，并且不同电源的纹波也各不相同。但是一般来说纹波是有百害而无一利的。
电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率。而高频纹波噪声还可能会产生浪涌，导致电气设备非正常运行，加速设备老化。在数字电路中，纹波会干扰电路的逻辑关系，给通信、测试和计量带来噪声干扰，影响信号的正常测量，甚至损坏设备。
事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的重要的因素之一，电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。推荐阅读：
今天我们将介绍采用 Keysight 10bit ADC 的高精度示波器和专业的电源纹波和噪声测试进行电源纹波和噪声测试的需要注意的几点和调试分析技巧。
工欲善其事，必先利其器。为了测试到 2 GHz 左右的电源噪声首先您必须有一台带宽达 2 GHz 的高精度低噪声示波器和探头组合，其次您还要掌握一定的测试技巧。
如上图所示，被测信号在耦合探头和示波器前端的噪声后最终在示波器上显示的波形也许与原始形状发生很大的变化，也就是说由于测量系统的原因带来非常大的测试误差。如果发生这种情况，显然测量工作反而会带来严重的误导！
另外进行电源纹波和噪声测试推荐采用衰减比为 1:1 的示波器探头，因为 1:1 衰减比的探头对信号没有衰减那么在示波器里也不会再进行放大，因此不会放大示波器前端的本底噪声。
如下图示，采用最常见的 10:1 衰减探头信号噪声明显偏大，另外如果示波器本身的垂直刻度最小可设置为 1mV/Div，那么采用 10:1 探头则垂直刻度会自动设置为 10mV/Div，如果想测试 10mV 级别的纹波或噪声显然精度是没办法保证的，而采用 1:1 探头时垂直刻度则依然可以最小设置到 1mV/Div。
该探头具有最高 2GHz 带宽，衰减比 1:1 左右，探头本身可设置 ±24V垂直偏移，且其本身阻抗为 50KΩ@DC。
采用N7021A 焊接电缆时 N7020A 探头带宽可达 2GHz 确保能支持测试到 2GHz 电源噪声，是目前业界最高带宽的电源纹波和噪声测试探头。±24V 垂直偏移设置可以在测试时可以直接在示波器里设置 Offset 值到电源直流值，然后再调节示波器的垂直刻度到 mV 级以进行 10mV 量级的纹波和噪声测试。过去为了测试直流分量上的纹波或噪声小信号通常不得不在示波器上设置 AC 耦合方式，但是 AC 耦合在滤除直流分量的同时也会将低频噪声和漂移也滤除掉。50KΩ 的 DC 阻抗则确保探头对电源分配网络(PDN)足够高阻，以免探头在介入电路探测时分压以此来降低测量值。
N7020A电源探头除了提供高达 2GHz 带宽的 N7021A 焊接连接方式外，还提供了方便灵活的N7023A 电源点测探头附件如下图示:
该附件组件提供了多种灵活的连接方式，如传统的探头针尖和短弹簧地针点测，以及双列直插连接和贴片器件夹，分别如下图左中右所示。经实际工程检验贴片器件夹最小可 0201 封装贴片器件。
基于上述DSOS204A 高清晰度示波器和 N7020A 1:1 衰减比探头的测试组合，已经有了非常良好的测试精度保证，还有什么其它需要注意的几点需要我们来关注呢？
1. 选择恰当的示波器带宽。测试电源纹波能将示波器硬件带宽限制到 20MHz。主要是为了尽最大可能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，也可优先考虑设置示波器硬件带宽为 200 MHz。Keysight S 系列示波器内置了两档硬件带宽限制即20MHz 和 200MHz。内置的数学运算(Math-Low Pass Filter)还支持灵活的软件数字带宽限制。
2. 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，能调节垂直刻度到 1.5mV/Div，S 系列示波器每个通道都有专用的垂直刻度调节旋钮，该旋钮支持按压在粗调和微调之间切换。采用这一设置的目的是尽量用足示波器 ADC 的显示线. 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 Resolu tion 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，因此这是示波器的显示采样率会下降。这种平均类似滤波的效果，可以大大降低示波器的噪声。鉴于纹波的重复性特征，还能够使用平均模式(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。
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。因此在 N7023A 的三种灵活测试组合中，采用探头针尖直接点测和短弹簧地针的组合效果最佳，当然采用双列直插连接和贴片器件夹的组合具有更佳的连接和测试方便性，因此有时需要在测试精度和连接方便性之间进行平衡。以上描述了推荐进行精确电源纹波和噪声测试的示波器和探头组合以及测试中的一些小技巧，这些是得到真实测量结果的基础和保证。在得到期望的波形后，又该怎么样做分析呢？通常情况下，能够使用直方图统计和进行简单的 FFT频谱分析：
如果对信号进行 FFT分析后，发现多种频率源的干扰，又该如何分别做定位和量化呢？以下图为例，黄色 CH1 波形是测得的 3.3V 的电源信号，f2 是采用 Horz Gateing 函数运算得到的一段水平放形。对 CH1 信号进行 FFT 运算能够正常的看到其频谱中包含 2.8 M 开关频率及其谐波分量和来自于 10 MHz 时钟的干扰。如果测试得到的纹波结果超过系统容许值，那么该怎么样改进呢？显然，2.8 MHz 的开关频率是已经选定的开关电源带来的，而 10 MHz 的时钟干扰是外来干扰，比较容易通过重新布线或其它方法去除。因此我们现在就需要对 10 MHz 的时钟干扰耦合进来的电源噪声数值进行定量分析。
因此将 10 MHz 时钟信号接入到 CH2，并设置触发源为 CH2。那么其它干扰源耦合到电源上的噪声因为与 10 MHz 时钟无关具有随机性。设置示波器的采集模式为平均，比如 1024 次平均，随机信号就被滤除掉。这时就能清楚的辨别出 3.3V 电源信号上因为 10 MHz 时钟产生的噪声和干扰的幅度。如下图示:
电源中纹波产生的原因、纹波大小的影响因素，在理论上分析了减小纹波的方法，并通过对实际电路参数的更改，降低了电源纹波值，将电源变的更加干净。一 理论分析在
，输入输出电压，电源负载，环境和温度等。这一些因素中对电源纹波的影响可能是相互加强也有一定的可能是相互削弱，需要考虑各方面的因素才能将纹波值降下来。而对于常用的电源芯片，芯片厂家都会给出这些影响因素的理论分析，通过这一些分析我们大家可以找出纹波最主要的影响因素。通过下面的分析，能够正常的看到纹波产生的影响因素有哪些：在开关电源中，输出电压经过PWM波进行斩波后，经过电感进行续流，在这样的一个过程中产生一个脉动电流，再经过电容滤波后对电压进行平滑，于是脉动电流在输出电容的ESR上产生一个纹波电压，同时脉动电流经过输出电容的充放电也会形成一个纹波电压。>
图1：脉动电流与纹波电压的关系图
通过上图能够准确的看出，纹波电压由两部分所组成，一部分是脉动电流在输出电容ESR上产生的ΔVout-esr，另一部分是脉动电流在输出电容充放电过程中产生的ΔVout-c。由于这两部分纹波电压并不完全同相，因此总的纹波电压值要小于两部分的代数和。那么如果要降低纹波电压就需要从怎么来降低这两部分纹波电压入手。在图2中可以定性的看出纹波电压的组成，但是这足以得出如何改变电路参数来降低纹波电压值，还需要定量的计算脉动电流和纹波电压的值：1）脉动电流峰峰值，式一：
（2）脉动电流峰峰值将F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A（3）纹波电压此单板中输出电容是钽电容和陶瓷电容的组合，输出电容约为240μF。
根据厂家提供的信息，钽电容的ESR最大约为25mΩ，陶瓷电容未提供ESR值。陶瓷电容的ESR值较低，那么按照25mΩ计算可得ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV由于两部分纹波电压不同相，因此总的纹波电压小于20.58mV。通过计算两部分纹波电压可看出，1.0V上的纹波电压主要的影响因素是脉动电流在电容的ESR上产生的纹波电压。那么，要降低这一部分的纹波电压，就要改变开关频率、输出电容以及电感中的一个或几个参数值。由于单板中的输出电容是钽电容，其ESR值已经比较小了，选用别的类型电容的优势不明显，另一方面，受封装、库存及负载电流的限制，电感值也不太好更换。相对来说，器件的开关频率容易改变，只需改变电阻值就可。
根据前面的分析，提高开关频率可降低脉动电流的值，也就能够更好的降低纹波电压的值。将开关频率配置电阻改为56K，理论可得F=827.9KHz，考虑到实际电阻误差，根据示波器测得实际开关频率约为F=854KHz。同时将L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A同样可计算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV经过对比，开关频率的提高对降低纹波电压的效果明显。通过计算和测量可看出，两者之间有一定的数据差距。这主要是计算中的数据有一些是近似值，另一方面测量的结果也有一定的误差。但是这并不影响我们评估纹波电压产生的主要渠道以及影响纹波电压的重要的因素，并通过实践来评估效果。更改开关频率后测得的纹波电压如下图：
纹波是板上电源一个很重要的参数，如何将纹波在合理的设计下降至最低是每个电源电路要重点考虑的。虽然各种开关电源的设计参数不同，但是影响纹波的因素大多数都有开关频率，滤波电感，输出电容，那么减小纹波电压的过程其实就等于对上述几个参数进行匹配选择的过程。
1 开关频率，此值越大，可将脉冲电流值降低，也就能减小纹波电压。但是频率越高，也就对单板产生越大的干扰，对EMI会有一定的影响。
2 电感，应该要依据真实的情况下的负载电流值及开关频率来选择，在合理的选择区间内选择较大的电感可降低脉动电流。
3 输出电容，要选择低ESR和高容量的器件。并且优先选择温度特性好的电容，这样可使得气温变化大的环境下纹波值不至于过大。
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在开关电源类产品的开发设计过程中，电源纹波是影响直流开关电源输出电压稳定性的主要指标。点击视频，了解怎么样做开关电源的纹波测试。