简单了解直流开关电压源纹波和噪声的定义及特征

本来想在网络中摘抄一副直流开关电压源输出示波器直流耦合条件下的测试波形，没有找到，至少没有找到合适的。

不过，我们终归会自己测试这一波形，然后仔细观察它，甚至会放大某些细节观察，或者测量其频谱。现在我们可以想象一下其波形。

纹波和噪声定义

电源轨电压必须位于目标负载容许范围内。下图摘抄自Tektronix网页，图中可以看出其电源电压包含直流，噪声，周期性偏差及瞬变。

瞬变可能自于目标负载瞬变(Load transient)或者输入电源电压瞬变(Line transient)。不过，这篇文档我们主要简单描述一下噪声及周期性偏差。

下图摘自于Keysight网页，图中突出了噪声及周期性偏差。

周期性偏差也称之为纹波，而噪声是随机偏差。不过这些术语通常会互换使用。纹波和噪声是直流电压源交流特性参数之一。

开关纹波

由开关稳压器拓扑结构与基本工作原理可知，开关变换器利用开关器件开和关从输入侧离散传递能量至输出侧，并形成开关稳压器储能电感纹波电流。

下图以降压稳压器拓扑结构为例子，图示开关节点电压及输出电压纹波波形。其中，开关节点电压波形频谱取决于开关变换器工作频率及占空比，并于负载电流一起决定了电感纹波电流主要能量频谱。

电感纹波电流经由输出电容滤波，在其输出电容，等效串联电阻及等效串联电感作用下形成至少直观上特征不明显的纹波电压。当然还有其它或更高阶寄生参数影响。

纹波总是开关电源中的主要交流偏差，其峰峰值通常为几个mV或数十个mV。

高频尖峰和振铃

高频尖峰和振铃噪声是由开关稳压器导通或关断瞬变产生的。某些文档也称其为高频纹波，毕竟它也为周期性偏差。

不过这不重要，对于电源完整性的要求，又或者对于电源规格定义，一般会把纹波和噪声放到一起量化其峰峰值或频谱特性。重点是识别其特征，并根据其特征或产生原因削弱它。

考虑开关器件和PCB走线中的寄生电感和电容；对于下图降压稳压器，开关器件开关时快速电流瞬变将在开关节点处引起高频电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声会随着电流负载的提高而提高。

根据开关稳压器的导通/关断压摆率，最高尖峰和振铃频率将在20MHz至300MHz范围内，受寄生电感和电容影响，输出LC滤波器在抑制方面可能不是非常有效。来自于输入节点及开关节点的辐射噪声同样影响周围电路及辐射发射测试。

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以用整个频率范围内的噪声密度来表示。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制，宽带噪声主要位于开关稳压器的10Hz至1MHz频率范围内，在低频范围内很难通过增加滤波器来将其降低。

典型降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为100uV至1000uV，远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声，则宽带噪声可能成为开关稳压器输出电压的主要噪声。开关稳压器中误差放大器及基准电压源为主要环内噪声来源。

环路输入噪声

开关稳压器PSRR反映开关稳压器抑制输入电源噪声传输到输出的能力。

开关稳压器的PSRR性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器的固有LC滤波器可以抑制中频范围（100Hz至10MHz）内的输入噪声。因此，开关稳压器具有理想的PSRR性能，因为其在低频时具有高环路增益，而固有LC滤波器会影响中频范围。

需要注意一点开关稳压器PSRR是针对电源输入(Line)的噪声的抑制能力，不适用于其它位置扰动输入，比如反馈回路耦合噪声。所以直流开关电源布板非常重要，不止于前面提到的高频尖峰/振铃及辐射噪声的考虑。

总结

简单了解直流开关电压源纹波和噪声的定义及特征。