一、背景序言：
伴隨著(zhù)各式各樣電子設備的產(chǎn)生，21世紀儼然已經(jīng)成為一個(gè)被電磁圍繞的世界，由于電磁環(huán)境的愈發(fā)復雜和惡劣，使得各行各業(yè)對各類(lèi)設備的紋波噪聲也開(kāi)始愈來(lái)越關(guān)注。本文則主要針對紋波噪聲這一問(wèn)題進(jìn)行探究，分享減小紋波噪聲的一些方法。
二、什么是紋波噪聲？
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(shuō)現實(shí)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(xiàn)，而是疊加有很多的波動(dòng)，并且這些波動(dòng)的頻率是固定的，我們把這些波動(dòng)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(wú)規律的電壓或者電流尖峰。也就是說(shuō)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。下面的圖1很好的描述了什么是紋波噪聲：
三、紋波噪聲產(chǎn)生的原因和危害：
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(chǎn)生的原因。我們以開(kāi)關(guān)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(chǎn)生原因大致如下：開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作時(shí)帶來(lái)、輸入前端帶來(lái)的低頻紋波、線(xiàn)路寄生參數及耦合帶來(lái)。
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(jìn)行供電，也帶來(lái)了一堆的問(wèn)題。當電源的紋波噪聲過(guò)大時(shí)，它們可能會(huì )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。在一些音頻及視頻的系統中，甚至會(huì )因為紋波噪聲過(guò)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(gè)器件的紋波噪聲顯的尤為重要。
四、如何降低紋波噪聲：
1、降低開(kāi)關(guān)器件動(dòng)作帶來(lái)的紋波噪聲：
包含電源模塊在內，很多系統都會(huì )使用三極管、MOS管、二極管、IGBT等等這些功率器件作為開(kāi)關(guān)器件，實(shí)現開(kāi)關(guān)變化和整流輸出的功能。我們以最常規的推挽自激電路為例，以下圖2為開(kāi)關(guān)器件及整流器件上最為常見(jiàn)的波形方波：
理論上的方波在上升沿和下降沿的時(shí)候是90°垂直的，也就是說(shuō)不需要時(shí)間的，但是實(shí)際過(guò)程中并不是這么完美的，正如我們將圖片放大后所看到的，這些上升沿及下降沿都是需要時(shí)間的。這也就使得經(jīng)過(guò)二極管整流后的信號波形在這些時(shí)間點(diǎn)因為能量不足的原因存在凹陷，后端的濾波電容需要對這些凹陷下去的信號進(jìn)行填補和充電，這就是紋波的來(lái)源。
因此理論上講如果要從產(chǎn)生根源上來(lái)降低紋波則需要盡可能的縮短這一時(shí)間，以盡可能的避免整流后電壓或電流的跌落。但是實(shí)際操作過(guò)程中我們會(huì )發(fā)現，當面對同一幅值的方波時(shí)，若要縮短上升沿的時(shí)間，則方波的上升斜率會(huì )加大，若回路中存在感性及容性器件時(shí)，他們上面的電流和電壓是不能發(fā)生突變的，這就使得突然發(fā)生的能量變化不得不以電壓或者電流尖峰的形式進(jìn)行釋放，這就是通常我們所接觸到的噪聲。也就是說(shuō)如果我們要規避噪聲的產(chǎn)生則需要盡可能的避免很大斜率的突發(fā)變化，即方波的斜率不能過(guò)大。
因此在推挽電路中我們會(huì )發(fā)現，如果想要降低紋波，需要盡可能的減小方波的上升時(shí)間和下降時(shí)間；如果想要降低噪聲，需要盡可能的拉長(cháng)或者放緩方波的上升及下降時(shí)間，以避免因為變化斜率過(guò)大帶來(lái)噪聲問(wèn)題。很明顯這里所說(shuō)的這兩點(diǎn)剛好是相互沖突的，因此在降低紋波噪聲的時(shí)候我們需要綜合考慮這兩部分。大家很清楚，噪聲的后期處理往往要比紋波復雜困難的多，因此在電路設計的時(shí)候，我們優(yōu)先推薦盡可能的避免大斜率的變化以規避噪聲的產(chǎn)生，但是并不能盲目的拉緩上升時(shí)間，需要綜合考慮對紋波以及開(kāi)關(guān)損耗的影響。因此設計人員在實(shí)際的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要根據實(shí)際的電路參數及性能要求進(jìn)行適當的調整，進(jìn)行綜合考慮。下圖3為金升陽(yáng)電源模塊B0505S-1WR2在經(jīng)過(guò)以上各方面的優(yōu)化和衡量后的輸出紋波，可以看出通過(guò)綜合的設計調試，紋波及噪聲值基本上達到了比較完美的狀態(tài)：
2、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(shuō)到濾波措施，當其沖想到的就是各種類(lèi)型的電容及電感濾波電路：LC、Π型等等，關(guān)于這一方面的知識有比較多的資料說(shuō)明，我們不做累述，詳細的可咨詢(xún)我司技術(shù)支持。
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(lái)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(shí)針對不同頻率的紋波對應的濾波器件也會(huì )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(kāi)關(guān)電源后面我們建議使用陶瓷電容，這樣濾波效果會(huì )更好。
3、降低線(xiàn)路寄生及耦合導致的紋波噪聲：
在電源模塊中帶來(lái)該類(lèi)型的紋波噪聲的通常是導線(xiàn)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(lèi)型的紋波噪聲通常以共模的形式存在，因此降低這種類(lèi)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(yōu)化工藝設計及PCB走線(xiàn)等等），還可以施加共模濾波方案。如下圖4的共模電容及共模電感為常規的共模濾波器件：
由于目前關(guān)于該種類(lèi)型的外圍濾波方案在EMC相關(guān)的書(shū)籍中有比較多的資料，我們在此也不做過(guò)多的敘述，詳細可咨詢(xún)我司的技術(shù)人員。
五、紋波噪聲的測試方法：
除了上面所說(shuō)的內容，實(shí)際上紋波噪聲的測試方法也至關(guān)重要，不恰當的測試方法會(huì )使得測試失真，導致結果誤判等等問(wèn)題。通常在紋波噪聲測試的時(shí)候我們會(huì )進(jìn)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(kāi)關(guān)噪聲的頻率也大部分在5MHz以下，因此在測試的過(guò)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(shí)的電源產(chǎn)生的紋波噪聲。同時(shí)在測試時(shí)，為避免示波器的供電電源的地線(xiàn)上會(huì )引入干擾，建議將示波器電源線(xiàn)上的地腳剪掉。
常規的測試方法為平行線(xiàn)測試法（下圖5）和靠測法，平行線(xiàn)測試法已經(jīng)有比較多的闡述，我們不做累述。我們簡(jiǎn)單介紹下靠測法，詳細的測試方法如下圖6-1：
相對于常規的甩線(xiàn)測試，靠測法主要是減小了地線(xiàn)環(huán)的面積，避免在測試的過(guò)程中在地線(xiàn)環(huán)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(xiàn)夾子去掉，直接使用探頭上的環(huán)銅作為地使用。這樣可以有效的避免外接電磁環(huán)境對測試的影響。
六、小結：
本文主要介紹了紋波噪聲的定義、產(chǎn)生原因、降低紋波噪聲的方法以及紋波噪聲的測試方法。在愈發(fā)惡劣的電磁環(huán)境下，相信這一問(wèn)題也會(huì )被越來(lái)越多的工程師關(guān)注，希望對大家有所幫助。
