一、背景序言：
伴隨著各式各樣電子設(shè)備的產(chǎn)生，21世紀(jì)儼然已經(jīng)成為一個被電磁圍繞的世界，由于電磁環(huán)境的愈發(fā)復(fù)雜和惡劣，使得各行各業(yè)對各類設(shè)備的紋波噪聲也開始愈來越關(guān)注。本文則主要針對紋波噪聲這一問題進行探究，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(guī)律的疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。也就是說現(xiàn)實中的電壓和電流并不像我們想象中的是完全穩(wěn)定完美的一條直線，而是疊加有很多的波動，并且這些波動的頻率是固定的，我們把這些波動叫做紋波。
噪聲的定義：噪聲是指疊加在紋波之上，非連續(xù)存在并無規(guī)律的電壓或者電流尖峰。也就是說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(tǒng)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：開關(guān)器件動作時帶來、輸入前端帶來的低頻紋波、線路寄生參數(shù)及耦合帶來。
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(fù)載進行供電，也帶來了一堆的問題。當(dāng)電源的紋波噪聲過大時，它們可能會影響運放的精度，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(tǒng)中，甚至?xí)驗榧y波噪聲過大，導(dǎo)致圖像顯示異常、音頻工作故障，因此在系統(tǒng)的設(shè)計中，降低各個器件的紋波噪聲顯的尤為重要。
四、如何降低紋波噪聲：
1、降低開關(guān)器件動作帶來的紋波噪聲：
包含電源模塊在內(nèi)，很多系統(tǒng)都會使用三極管、MOS管、二極管、IGBT等等這些功率器件作為開關(guān)器件，實現(xiàn)開關(guān)變化和整流輸出的功能。我們以最常規(guī)的推挽自激電路為例，以下圖2為開關(guān)器件及整流器件上最為常見的波形方波：
理論上的方波在上升沿和下降沿的時候是90°垂直的，也就是說不需要時間的，但是實際過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間的。這也就使得經(jīng)過二極管整流后的信號波形在這些時間點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行填補和充電，這就是紋波的來源。
因此理論上講如果要從產(chǎn)生根源上來降低紋波則需要盡可能的縮短這一時間，以盡可能的避免整流后電壓或電流的跌落。但是實際操作過程中我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)面對同一幅值的方波時，若要縮短上升沿的時間，則方波的上升斜率會加大，若回路中存在感性及容性器件時，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行釋放，這就是通常我們所接觸到的噪聲。也就是說如果我們要規(guī)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大。
因此在推挽電路中我們會發(fā)現(xiàn)，如果想要降低紋波，需要盡可能的減小方波的上升時間和下降時間；如果想要降低噪聲，需要盡可能的拉長或者放緩方波的上升及下降時間，以避免因為變化斜率過大帶來噪聲問題。很明顯這里所說的這兩點剛好是相互沖突的，因此在降低紋波噪聲的時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(fù)雜困難的多，因此在電路設(shè)計的時候，我們優(yōu)先推薦盡可能的避免大斜率的變化以規(guī)避噪聲的產(chǎn)生，但是并不能盲目的拉緩上升時間，需要綜合考慮對紋波以及開關(guān)損耗的影響。因此設(shè)計人員在實際的開發(fā)過程中，需要根據(jù)實際的電路參數(shù)及性能要求進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，進行綜合考慮。下圖3為金升陽電源模塊B0505S-1WR2在經(jīng)過以上各方面的優(yōu)化和衡量后的輸出紋波，可以看出通過綜合的設(shè)計調(diào)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。一說到濾波措施，當(dāng)其沖想到的就是各種類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明，我們不做累述，詳細的可咨詢我司技術(shù)支持。
或者在一些條件允許的系統(tǒng)中，也可以在前端及后端增加穩(wěn)壓器件，來降低紋波噪聲，在這種情況下該部分的紋波噪聲則完全由穩(wěn)壓器件的性能決定。
同時針對不同頻率的紋波對應(yīng)的濾波器件也會有所不同，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以上的開關(guān)電源后面我們建議使用陶瓷電容，這樣濾波效果會更好。
3、降低線路寄生及耦合導(dǎo)致的紋波噪聲：
在電源模塊中帶來該類型的紋波噪聲的通常是導(dǎo)線上的寄生電容電感、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。這一類型的紋波噪聲通常以共模的形式存在，因此降低這種類型的紋波噪聲的方法除了盡可能的從設(shè)計上改善以上寄生參數(shù)外（如優(yōu)化工藝設(shè)計及PCB走線等等），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(guī)的共模濾波器件：
由于目前關(guān)于該種類型的外圍濾波方案在EMC相關(guān)的書籍中有比較多的資料，我們在此也不做過多的敘述，詳細可咨詢我司的技術(shù)人員。
五、紋波噪聲的測試方法：
除了上面所說的內(nèi)容，實際上紋波噪聲的測試方法也至關(guān)重要，不恰當(dāng)?shù)臏y試方法會使得測試失真，導(dǎo)致結(jié)果誤判等等問題。通常在紋波噪聲測試的時候我們會進行帶寬的限制，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，開關(guān)噪聲的頻率也大部分在5MHz以下，因此在測試的過程中，建議將帶寬限制在20MHz內(nèi)，這樣才可以確保所測試到的是真實的電源產(chǎn)生的紋波噪聲。同時在測試時，為避免示波器的供電電源的地線上會引入干擾，建議將示波器電源線上的地腳剪掉。
常規(guī)的測試方法為平行線測試法（下圖5）和靠測法，平行線測試法已經(jīng)有比較多的闡述，我們不做累述。我們簡單介紹下靠測法，詳細的測試方法如下圖6-1：
相對于常規(guī)的甩線測試，靠測法主要是減小了地線環(huán)的面積，避免在測試的過程中在地線環(huán)路中耦合到干擾，影響了測試結(jié)果。主要的方法是像圖中所述，將地線夾子去掉，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(jié)：
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，相信這一問題也會被越來越多的工程師關(guān)注，希望對大家有所幫助。
