什么是电源纹波？探头选择与连接方式对其测量的关键作用

今天的话题聚焦于电子系统设计中的一个关键但常被忽视的问题——电源纹波。在电路集成规模不断扩大和信号频率日益提高的背景下，电源质量对系统稳定性的影响变得越来越重要。特别是在使用高速数字串行总线，比如DDR4的应用场景下，这种影响尤为突出。下面我们就一起来了解。

1、什么是电源纹波

电源纹波指标是开关电源模块一项很重要的参数。电源纹波可以理解为电源模块包括 VRM 的输出电压的波动，和复杂的供电网络无关，或者说是电源输出的源端的电压的波动。
通常电源纹波频率由 MOSFET切换频率决定，在几百 KHz 到 MHz 级别，时钟串扰带来的电源噪声频率则在几十 MHz 到百MHz 左右，而 SSN噪声则与总线或者信号传输的切换频率有关，最高可能达 GHz 级别，比如 DDR4总线切换频率可能达 2 GHz 左右。因此可见电源纹波通常在低频段，而电源噪声则要考虑到更高频段。
干净的电源是数字电路稳定工作的前提，为确保电源供应的质量，必须对电源的纹波和噪声进行测量。传统上，工程师通常只是对电源纹波进行测量而忽视电源噪声的测量。而随着近几年电路集成规模和信号频率的日益提高以及对低功耗的追逐，导致信号环境日趋复杂，同时信号幅度和电源供电幅度均大幅下降，相应地对电源纹波和噪声的要求日益提高。
以 DDR4规范 JESD79-4A 为例，VDDQ_DC 值仅为 1.2V，而 DQVref 相关参数值均有严格的范围：

DDR4 标准中 DQ 内部 Vref 规范表

事实上，近年来随着高速串行信号速率发展到几十个 Gbps，电源完整性的重要性正在日益凸显。电源纹波是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一，电源纹波测试是电源完整性的一个重要方面。

2、电源纹波测试实例

某用户使用500 MHz带宽的示波器对开关电源输出5V信号的纹波进行测试时，发现纹波和噪声的峰峰值达到了900多mV（如下图所示），而其开关电源标称的纹波的峰峰值<20mv。虽然用户电路板上后级还有LDO对开关电源的这个输出再进行稳压，但用户认为测得的这个电源纹波过大，不太可信，希望找出问题所在。

首先检查了用户探头的连接方式，发现其使用的是如下面左图所示的长的鳄鱼夹地线，而且接地点夹在了单板的固定螺钉上，整个地环路比较大。由于大的地环路会引入更多的开关电源造成的空间电磁辐射噪声以及地环路噪声，于是更换成如下面右图所示的短的接地弹簧针。

经过实际测试，发现测得的纹波噪声的峰峰值有很大改善，如下图所示。

但纹波噪声的峰峰值仍然有40多mV，和开关电源厂商标称的<20mV仍有较大差异。

进一步检查用户使用的探头的型号，发现用户使用的是示波器标配的10:1的无源探头。如下图所示。

10:1的示波器探头会把被测信号衰减10倍再送入示波器，然后示波器再对被测信号进行10倍的数学放大。这种探头的好处是通过前面的匹配电路提升了探头带宽可以到几百MHz，而且扩展了示波器的量程，但是对于小信号的测量不是特备有利。如果被测信号幅度本身就小，再衰减10倍可能就淹没在示波器的底噪声里了，即使再做10倍的数学放大，对于信噪比本身也是没有改善的。所以对于电源纹波噪声的测量应该尽量使用小衰减比的探头，比如1:1的探头。于是另外找了一个1:1无源探头，这种1:1的无源探头虽然带宽不高（通常几十MHz），但衰减比小，对于小信号测试非常合适。
下图是换用1:1的无源探头后，和10:1 探头在不同带宽限制下的对比测试结果。可以看到，使用1:1探头并设置20MHz带宽限制后，测量到的纹波噪声的峰峰值只有不到10mV，远远好过10:1探头的测试结果。从1:1探头的测试结果里可以看到清晰的纹波的波形，并且满足用户对于电源纹波噪声<20mV的预期。另外，我们也可以看到，带宽限制对于噪声峰峰值也有一定的改善作用。

如果手头实在没有合适的低衰减比的探头，也可以参考下图用50欧姆的同轴电缆用如下方式自制一个探头。实际上就是把电缆的一头接在示波器上，示波器设置为50欧姆输入阻抗；电缆的另一头剥开，屏蔽层焊接在被测电路地上，中心导体通过一个隔直电容连接被测的电源信号。这种方法的优点是低成本，低衰减比，缺点是一致性不好，隔直电容参数及带宽不好控制。

3、电源纹波测试问题总结

这是一个典型的电源纹波测试的问题。我们通过使用短的地线连接、换用低衰减比的探头以及带宽限制功能使得电源纹波结果大大改善。一般来说，影响电源纹波测试结果的影响因素按照重要性主要有以下几个：
①前端连接线和地环路的长度：长的地环路会拾取更多开关电源的电磁辐射以及地噪声，因此需要使用尽可能短的地线连接。
②探头的衰减比：大衰减比的探头会使得小信号幅度更加微弱，甚至淹没在示波器底噪声里，所以应该尽量使用1:1衰减比的探头。
③带宽限制：很多电磁噪声和示波器的底噪声都是宽带的，设置合适的带宽限制可以滤除额外的噪声。很多电源纹波场合使用20MHz的带宽限制，也有些芯片会要求测到80MHz或200MHz。
④测量量程：通常会在小量程档下（比如10mv/格或20mv/格）进行电源纹波测试。量程打得越大，示波器的底噪声越高。但有些示波器的偏置范围有限，在小档位下时可能不能够把被测的直流电压信号拉回到屏幕中心附近进行测量，所以很多时候会使用示波器的AC耦合功能把直流隔离掉再进行电源纹波。
⑤输入阻抗：很多示波器有50欧姆和1M欧姆的输入阻抗选择，通常50欧姆输入阻抗下示波器的底噪声更低。不过示波器连接大部分无源探头时都会自动把阻抗切换到1M欧姆，只有连接有源探头或同轴电缆时才可以设置为50欧姆输入阻抗。