輸出電壓上的高頻噪音，一般是由于MOSFET輸出的開關(guān)電壓V-Phase的振鈴引起的，而振鈴主要是由于路徑上的寄生電感引起的。此外也會從探頭耦合進來，所以在測試時需要盡量減少探頭的耦合的干擾，這樣測試得到的結(jié)果才會比較可信。

本文試圖闡述開關(guān)電源設(shè)計與測試中的若干細節(jié)問題，這是一些比較容易被忽視的小細節(jié)。

一、紋波的測量

（一）、紋波的組成成分

電源性能的最直觀的表現(xiàn)是電源紋波，所謂電源的紋波就是指電源輸出電壓的波動。

如果是開關(guān)電源，輸出紋波是有規(guī)律的擺動，擺動的頻率等于開關(guān)頻率。紋波的形成是因為電流流過輸出電容在電容的ESR上所引起的壓降，開關(guān)電源中不斷地有脈動的電流流經(jīng)電容，所以它的紋波的頻率等于開關(guān)頻率。

圖1、開關(guān)頻率為500KHZ的開關(guān)電源的輸出紋波

然后，細心的你還會發(fā)現(xiàn)，脈動的電壓波動上疊加了細細的“針針”，這是開關(guān)電源開關(guān)信號所引起的開關(guān)噪音。因此，準確地說，電源的輸出波動實際上有兩個部分組成，紋波與噪音。

圖2、電源的輸出波動的分解

前面已提及紋波的形成是因為脈動的電流流過輸出電容，然后在電容的ESR上所形成的壓降，所以要想消滅紋波是不可能的，只能是盡可能地去減小。

而疊加在紋波上的噪音卻是有機會得到改善的，在開關(guān)電源中，開關(guān)管引起的開關(guān)噪音會疊加到輸出電壓上，然后因為其頻率很多，很難被濾波器濾除，所以容易擴散至整個PCB板子，引起EMC問題。

關(guān)于開關(guān)噪音的改善，下文再詳細闡述。在想辦法解決問題之前，我們需要獲得準確的信息來作決策的依據(jù)，錯誤的信息輸入必將得到更加錯誤的決定。

（二）、如何正確地測量電源的輸出電壓的紋波？

為了敘述的方便，我們一般把輸出電壓的波動統(tǒng)稱為紋波，但是我們在內(nèi)心深處必須時刻有一個根深蒂固的概念，我們在測試時實際上是為了獲取兩個信息：紋波電壓以及噪音。

紋波電壓的形成與脈動電流和電容的ESR相關(guān)，所以在測試時需要分別測試不同負載電流下的紋波電壓，這是基于不同的脈動電流的考量。最需要的注意的是不要人為地增加ESR，所以測試時需要在輸出電容的兩端就近測量，否則路徑會額外增加ESR值。

噪音的形成與開關(guān)路徑上的寄生電感相關(guān)，所以在測試時需要注意不能引進額外的寄生電感，否則測試所得的開關(guān)噪音會大于實際值。

圖3和圖4是兩種錯誤的紋波測量的方法，它們正確的地方是在電容兩端就近測量，錯誤在于引入或者說吸收了噪音，使得測試所得的結(jié)果偏離實際情況。

圖3、錯誤的紋波測量方法

圖4的錯誤很容易被忽視，就是在測試時必須移除多余閑置的探棒，避免人為地引入噪音。

圖4、在紋波測量時，請移除多余的閑置探棒

圖5、正確的紋波測量方法

正確測量紋波的姿態(tài)是使用紋波帽，如圖5示意，這樣可以保證測量路徑最短，引入的噪音最少。

圖6、簡易高效的紋波測量方法

如果，手頭條件有限，沒有紋波帽咋辦？其實很簡單，可以自制。在密集測量時，還可以使用圖6的方法，將自制的紋波帽直接焊到PCB板上。

（三）、如何優(yōu)雅地測量電源的輸出電壓的紋波？

前文講了如何正確地測量紋波，為什么要這么做，這樣做的原理是什么，等等。很多事情算是老生常談了，相信多數(shù)人是知道的并且很熟悉的。

在這里，我想再提一個概念，優(yōu)雅地測試。前面是談如何正確地測量。正確測量是一個技術(shù)問題，有具體的操作步驟和規(guī)范，而優(yōu)雅是一個態(tài)度問題，很多時候你會發(fā)現(xiàn)兩個不同的人基于同樣的儀器和操作手冊卻得到了不同的測量結(jié)果。

圖7是測試人員在測試紋波時，探棒沒有“站直”，斜躺著，結(jié)果很不幸躺到了電感上，而電感是輻射源。在質(zhì)疑其測量結(jié)果時，他還委屈，說采用了紋波帽，而且是就近測量的啊。后來，仔細觀察方才發(fā)現(xiàn)測量的姿勢有問題。

圖7、不同的測量姿勢，得到不同的結(jié)果

（四）、如何評估測量結(jié)果的正確性？

看了前文的敘述，你也許會很緊張，如何才能保證每一個測試的姿勢都是非常之優(yōu)雅呢？是否每一項測試都需要親力親為呢？

其實是有很多小竅門去判斷測試結(jié)果是否可信的，在電源的測試中，會有很多小的子項目的測試，子項目之間實際上有關(guān)聯(lián)的，細心的你定能“火眼金睛”的看出報告里的貓膩。

繼續(xù)前文圖7的測試結(jié)果，開關(guān)噪音因為沒有被濾波器濾除有殘留，殘留被疊加到輸出電壓上形成噪音。所以，往前追溯很容易找到噪音的源頭，而圖7的測試報告里，發(fā)現(xiàn)由開關(guān)管輸入到電感的開關(guān)節(jié)點的電壓信號的過沖和下沖算是比較好的（如圖8），不可能造成那么大的輸出噪音，這是理直氣壯地質(zhì)疑測試方法有問題的根據(jù)。

圖8、BUCK電路中，MOSFET與電感之間的開關(guān)節(jié)點（V_PHASE）的電壓波形

如果你是一位測試人員，在測試時需要做好自檢的工作，避免后續(xù)不必要的返工，以下思路供參考。

電感是一個很強的輻射源，開關(guān)噪音不但通過傳導(dǎo)也會以空間輻射的形式，往外散發(fā)。為了避免空間中輻射的噪音對測結(jié)果的誤導(dǎo)，可有以下兩個對策來應(yīng)對。

1）、在測試時，探棒可嘗試不同的姿勢，選擇一個空間輻射對測試結(jié)果影響最小的姿勢。

2）、對測試結(jié)果的交叉驗證可以減少錯誤結(jié)果發(fā)生。輸出電壓上的開關(guān)噪音，實際上和V_PHASE是有對應(yīng)關(guān)系的。

V_PHASE的邊沿振鈴一般難以被輸出濾波器處理掉，最終表現(xiàn)為輸出電壓上的開關(guān)噪音。如果輸出電壓上的開關(guān)噪音很大，但是V_PHASE的邊沿振鈴卻不明顯，則說明你所測試到的噪音很可能是來自空間中的輻射，此時可動一動探棒與PCB板子的夾角，努力將接收到的空間輻射降低到最小。

二、 電源噪音的處理

前文詳細闡述了紋波的組成、紋波及噪音的產(chǎn)生機理、如何正確地測量紋波、如何交叉驗證測試結(jié)果確保報告的可靠性等等。測試是為了發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)警風(fēng)險，包括已知的以及潛在的。如果是光測試而不解決問題等于是耍流氓。接下來，我們來談一談如何解決紋波相關(guān)的問題，以BUCK電路為例。

圖9、BUCK的原理模型

開關(guān)電源的LC濾波器幾乎是沒有降低紋波分量的能力的，因為紋波是脈動電流流過輸出電容，在電容的ESR上引起的壓降。所以，如果需要降低紋波電壓，就需要降低電容的ESR，可以選用LOW ESR的電容，也可以多個電容并聯(lián)來降低ESR。但是凡事都不是絕對的，如果紋波電壓已經(jīng)可以符合負載的需求了，就不要去追求完美了，特別是使用疊加電容的手段來降低紋波，過大的輸出電容是有副作用的。

開關(guān)電源的LC濾波器對開關(guān)轉(zhuǎn)換時產(chǎn)生的邊沿噪音更是無能為力，開關(guān)噪音會產(chǎn)生更高頻的諧波，最大的惡果是對EMC性能造成負面影響。

開關(guān)噪音與開關(guān)波形V_PHASE的上升/下降時間以及路徑上的寄生電感息息相關(guān)，寄生電感的改善比較麻煩，與Layout設(shè)計相關(guān)，也和芯片的內(nèi)部設(shè)計及性能相關(guān)。一般比較常采用的方法是降低開關(guān)信號的上升與下降時間，這樣做的副作用是增加了開關(guān)過程中的交越導(dǎo)通損耗，在一定程度上降低了電源的效率。

所以，優(yōu)化輸出紋波及噪音性能實際上是在尋找一個平衡點，我們需要有全局意識，切不可為了某一個單項的指標(biāo)而“不折手段”。

1）、 MOSFET外置的開關(guān)斜率調(diào)整

圖10、MOSFET外置，柵極串聯(lián)電阻調(diào)整開關(guān)斜率

如果開關(guān)電源的MOSFET是外置的，可嘗試用一個小電阻與柵極串聯(lián)，但這對開通和關(guān)斷電壓均有影響，如果MOSFET的關(guān)閉時間過長，則有上下管直通的風(fēng)險。

因此，一般的原則是“打開慢一些，電流變化就會緩一些，由寄生電感產(chǎn)生的振鈴也就會小一些；關(guān)閉的時候利索一些，不能讓另一側(cè)的管子等待太久”。如果打開與關(guān)閉的斜率無法協(xié)調(diào)，不妨嘗試配置不同的柵極電阻，然后使用二極管進行隔離，如圖11。

圖11、MOSFET外置，柵極串聯(lián)電阻分別調(diào)整上升與下降斜率

2）、MOSFET內(nèi)置的開關(guān)斜率調(diào)整

集成度高的DC-DC變換器已將MOSFET集成，所以我們無法通過柵極串電阻的方式來減緩開關(guān)斜率。在這種情況，如果上管是N-MOSFET的話，芯片會有一個ChargePump的管腳（BOOT）。可以使用一個小電阻（通常為10~20歐姆）與驅(qū)動級（BOOT）的耦合電容串聯(lián)，這在一定程度上可以減緩開關(guān)的斜率，如圖12所示。

圖12、MOSFET集成，BOOT管腳串聯(lián)電阻調(diào)整開關(guān)斜率

3）、開關(guān)噪音的吸收

在設(shè)計中建議預(yù)留緩沖電路（Snubber）的位置，Snubber與下管MOSFET或者續(xù)流二極管并聯(lián)。

在Layout設(shè)計時，snubber電路需與下管MOSFET或續(xù)流二極管緊貼，避免過孔；

Snubber一般由R和C組合而成，可將電阻R放置于和地相連的那端，有助于散熱。

Snubber設(shè)計無明確的計算公式，因為板子的寄生參數(shù)及環(huán)境千差萬別，所以基本上是靠實際調(diào)試和逐步逼近。以下調(diào)試的套路，僅供參考：

圖13、Snubber的調(diào)試

1、測量未接Snubber電路時的振蕩信號周期（1/fo）;

2、將高頻電容（Co）跨接在要吸收的器件上，確定電容的值，減緩振蕩使周期是原來周期的三倍;

3、確定電容之后，與電容串聯(lián)的電阻可用以下公式大約估算：

有很多R和C的組合可以產(chǎn)生滿意的波形，但上述R和C的選值應(yīng)該產(chǎn)生最小的損耗和最有效的效果。同時，避免Snubber電路對開關(guān)波形的損傷。

4）、攔截開關(guān)噪音

不管采用何種措施，開關(guān)噪音終究是無法回避的。為了減小系統(tǒng)的整體噪音，不得不采用圍追堵截的措施。

首先，在電源的“入口”阻擋（比如安放一粒100nF的旁路電容）；

然后，在電源系統(tǒng)的內(nèi)部盡量減弱噪音（減緩開關(guān)斜率、安裝Snubber電路、減小寄生參數(shù)等）；

最后在“出口”處，盡可能做好攔截（增加LC或Bead-C濾波器）。