电源纹波测量的基本流程

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电源纹波是电源品质的重要指标之一，除了工程师外，普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波，但是具体操作流程存在随意性大，可复现性低等问题。接下来普科科技PRBTEK以实测演示对比来描述精通纹波测量需要掌握的技巧和注意要点，帮助用户实现纹波测量又快又准的目标。

一、电源纹波的概念

随着集成电路的发展进步，用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V左右，用于移动设备的LP-DDR系列存储器，供电电压最高也不超过1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备，对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外，普通用户在经受低质量电源困扰之后，也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真（Hi-Fi）音响爱好者圈子里，就流传着 “火电力度大，水电解析力高，雅鲁藏布江的水电效果好” 等段子。更不乏为了改善电源质量，花重金购买一根昂贵的电源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据，但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。

电源品质中，一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波（ripple）通常认为是在直流电源输出中，叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通常是在交流转直流过程中，由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是，虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的，并且原理上不存在纹波，但是对于使用电池供电的设备，我们仍然需要关注电源的纹波。一方面，随着电池容量的消耗，电压会逐渐降低，为了保证用电设备的输入电压恒定，电池的电压会经过DCDC转换器进行变换，此时会引入额外的交流分量。另一方面，用电设备对电压的需求不一致，一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨，因此会引入多个电压转换器，进而产生不同的交流分量。

二、电源纹波的基本测量

这里以一个常见的Raspberry Pi Pico开发板的电源模块为例，介绍电源纹波测量的基本流程。

2.1Raspberry Pi Pico电源简介

Raspberry Pi Pico是一个小巧实用的mcu板子，供电由一颗来自RICHTEK的RT6150B完成，输出电压是3.3V，电路如图1所示。RT6150B是一个Buck-Boost转换器，因此输入电压既可以高于也可以低于3.3V。板子的供电来自USB接口的5V，实现的是降压转换。值得注意的是，RT6150B有一个Power Save Mode（PSM）。当芯片的7脚（PS）拉低时，PSM启用，芯片工作在PFM模式，效率较高，但是纹波也较高。当PS拉高时，PSM禁用，芯片工作在PWM模式，轻载时效率降低，但是纹波也较低。

图1：Raspberry Pi Pico的供电电路

实际测量时，我们通过软件控制PS拉低或拉高，从而使供电模式在PFM和PWM之间切换，进而对比二者的差异。测量点位方面，供电输出处有一颗电容C2，我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。

2.2示波器设置

探头：纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量，因此和普通电压信号测量比较类似，选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减，例如有1X和10X两个档位，需要设置到没有衰减，即1X的档位上。

探头接地线：拔掉。没错，去掉探头上所有的接地延长线，包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件，可以用最短的路径就近接入板上的地线。

垂直通道：设置为AC耦合；带宽限制设置为20 MHz；本着先粗后细的原则，垂直刻度可以先设大一些，例如50mV/div；检查并确认探头的衰减正确设为了1X。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。

图2：示波器垂直通道设置

时间刻度：本着先粗后细的原则，时间刻度可以先设大一些，例如1ms/div，待后续观察到信号后，再放大查看细节。

触发系统：由于使用AC耦合，触发电平可以设为0V，使用边沿触发即可。

2.3测量波形

使用上述配置，可以测得输出电容两端的交流电压如图3和图4所示。为了方便对比，2张图的垂直刻度都统一设置为了5mV/div。

我们不难发现，相比PWM模式，PFM模式下，电源的纹波是明显大的，这和datasheet的描述是一致的。

图3：PFM模式的纹波

图4：PWM模式的纹波

具体纹波的数值，可以通过数格子、光标或示波器的自动测量功能获取。

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纹波对电源性能的影响很大