今天我们聊聊什么是电源纹波，电源纹波的产生以及他和电源噪声的区别。最后我们还会介绍几种电源纹波测试方法和案例。
什么是纹波？
开关电源的输出并不是真正恒定的，输出存在着周期性的抖动，这些抖动看上去就和水纹一样，称为纹波。纹波可以是电压波纹或电流纹波。
低频纹波：来自AC输入的周期，电源对输入的抑制比不是完美的，当输入变化，输出也会变化。
高频纹波：来自开关切换的周期，开关电源不是线性连续输出能量，而是将能量组成一个个包来传输，因此会存在和开关周期对应的纹波。
纹波是由于AC周期或开关周期引起的输出抖动，而噪声是随机耦合到 输出上的高频信号，是不一样的。
由于纹波的影响，使得输出的峰值比平均值高，这可能会损坏负载。
电源纹波指标是开关电源模块或者 DC/DC 的一项很重要的参数。
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。它是围绕着输出的直流电压上下来回波动的周期性信号，但周期和振幅并不是定值，而是随着时间变化，并且不同电源的纹波波形也不一样。
什么是电源噪声？
电源噪声则是指电源模块工作在实际产品系统中，经过供电分布网络将电源能量输送到芯片管脚处，在芯片管脚处的电压的波动，或者简单说是电源输出的末端的电压的波动。
在理想情况下，直流电源不会产生任何噪声。那么噪声是从何而来的呢？ 电源上不可避免会产生热噪声，也就是由电子热扰动所产生的电子噪声，它会形成简单的高斯噪 声。高斯噪声通常不是最大的噪声来源。 直流电源上噪声的主要来源是电源本身的开关噪声以及电路中器件的开关电流所引起的噪声，开 关会产生瞬态电流需求。这种因为开关事件而产生的噪声在时间上可能是随机出现的，但是它们 往往趋向于与系统中的时钟保持一致。
电源噪声从输出端经过供电网路 (PDN) 传输后到芯片管脚除了电源本身的纹波之外可能增加或者耦合进了其它电路部件的干扰比如时钟的串扰，以及电路本身工作过程中带来的其他噪声，典型的比如DDR 总线工作时的 SSN 噪声 ( Simultaneous Switching Noise ) 或者地弹 ( Ground Bounce ) 等。
我们常见的电源有线性电源和开关电源，它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净，直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号，这就产生了纹波。
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。(MOSFET指金属氧化物半导体场效应晶体管。它是具有MOS结构的场效应晶体管。通常而言,MOSFET是一个三引脚器件,分别是栅极(G)、漏极(D)和源极(S)。)
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，必须对电源纹波和电源噪声进行测量。
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：
纹波是一种复杂的杂波信号，它是围绕着输出的直流电压来回波动的信号，周期和振幅随着时间不断变化，并且不同电源的纹波也各不相同。但是一般来说纹波是有百害而无一利的。
电源中携带的纹波会在电器上产生谐波，降低电源的使用效率。而高频纹波噪声还可能产生浪涌，导致电气设备非正常运行，加速设备老化。在数字电路中，纹波会干扰电路的逻辑关系，给通信、测试和计量带来噪声干扰，影响信号的正常测量，甚至损坏设备。
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。电源纹波和噪声的干扰是影响高速数字串行总线传输质量的主要因素之一，电源纹波和噪声的测试是电源完整性的一个重要方面。推荐阅读：
今天我们将介绍采用 Keysight 10bit ADC 的高精度示波器和专业的电源纹波和噪声测试探头 N7020A电源探头进行电源纹波和噪声测试的注意事项和调试分析技巧。
工欲善其事，必先利其器。为了测试到 2 GHz 左右的电源噪声首先您必须有一台带宽达 2 GHz 的高精度低噪声示波器和探头组合，其次您还需要掌握一定的测试技巧。
为什么示波器的本底噪声在当下的高精源度的电纹波和噪声测试中如此重要呢？
如上图所示，被测信号在耦合探头和示波器前端的噪声后最终在示波器上显示的波形也许与原始形状发生很大的变化，也就是说由于测量系统的原因带来很大的测试误差。如果发生这种情况，显然测量工作反而会带来严重的误导！
另外进行电源纹波和噪声测试推荐采用衰减比为 1:1 的示波器探头，因为 1:1 衰减比的探头对信号没有衰减那么在示波器里也不会再进行放大，因此不会放大示波器前端的本底噪声。
如下图示，采用最常见的 10:1 衰减探头信号噪声明显偏大，另外如果示波器本身的垂直刻度最小可设置为 1mV/Div，那么采用 10:1 探头则垂直刻度会自动设置为 10mV/Div，如果想测试 10mV 级别的纹波或噪声显然精度是无法保证的，而采用 1:1 探头时垂直刻度则依然可以最小设置到 1mV/Div。
10:1 与 1:1 示波器探头的差异
可见，选择一款高精度的示波器和探头系统组合是多么重要！
DSOS204A 高清晰度示波器：2 GHz，4 个模拟通道
DSOS204A 高清晰度示波器 其本底噪声指标如下表：
表 2. DSOS204A 高清晰度示波器 本底噪声数值
图 4. N7020A电源探头和 N7021A探头 焊接前端示意图
其次推荐一款专用的电源纹波和噪声测试探头— N7020A
该探头具有最高 2GHz 带宽，衰减比 1:1 左右，探头本身可设置 ±24V 垂直偏移，且其本身阻抗为 50KΩ@DC。
采用 N7021A 焊接电缆时 N7020A 探头带宽可达 2GHz 确保可以支持测试到 2GHz 电源噪声，是目前业界最高带宽的电源纹波和噪声测试探头。±24V 垂直偏移设置可以在测试时可以直接在示波器里设置 Offset 值到电源直流值，然后再调节示波器的垂直刻度到 mV 级以进行 10mV 量级的纹波和噪声测试。过去为了测试直流分量上的纹波或噪声小信号通常不得不在示波器上设置 AC 耦合方式，但是 AC 耦合在滤除直流分量的同时也会将低频噪声和漂移也滤除掉。50KΩ 的 DC 阻抗则确保探头对电源分配网络(PDN)足够高阻，以免探头在介入电路探测时分压从而降低测量值。
N7020A电源探头除了提供高达 2GHz 带宽的 N7021A 焊接连接方式外，还提供了方便灵活的 N7023A 电源点测探头附件如下图示:
N7023A 电源点测探头探测前端
该附件组件提供了多种灵活的连接方式，如传统的探头针尖和短弹簧地针点测，以及双列直插连接和贴片器件夹，分别如下图左中右所示。经实际工程检验贴片器件夹最小可 0201 封装贴片器件。
基于上述 DSOS204A 高清晰度示波器和 N7020A 1:1 衰减比探头的测试组合，已经有了非常良好的测试精度保证，还有什么其它注意事项值得关注呢？
1. 选择恰当的示波器带宽。测试电源纹波可以将示波器硬件带宽限制到 20MHz。主要是为了避免数字电路的高频噪声影响纹波的测量，尽量保证测量的准确性。如果开关频率较高，也可以考虑设置示波器硬件带宽为 200 MHz。Keysight S 系列示波器内置了两档硬件带宽限制即20MHz 和 200MHz。内置的数学运算(Math-Low Pass Filter)还支持灵活的软件数字带宽限制。
2. 调节示波器的垂直刻度尽量将波形展开占屏幕垂直 6-7 格。比如测试 10mV 级的纹波和噪声，可以调节垂直刻度到 1.5mV/Div，S 系列示波器每个通道都有专用的垂直刻度调节旋钮，该旋钮支持按压在粗调和微调之间切换。采用这一设置的目的是尽量用足示波器 ADC 的显示线性范围。
3. 设置示波器的波形采集或捕获方式为 12bit 高分辨率模式。高分辨率模式(High Resolu tion Mode)相对一般采样模式 (Sampling Mode) 主要是将若干个采样点组成一组做平均，将这个平均值作为采样结果保存到采样存储器中，因此这是示波器的显示采样率会下降。这种平均类似滤波的效果，可以有效降低示波器的噪声。
鉴于纹波的重复性特征，还可以采用平均模式(Average)以获得更佳的测试和测量结果。必须说明的是，采用高分辨率模式时会降低示波器的数字带宽。因此在测试高频噪声和干扰时不建议采用高分辨率模式。
4. 最后一点比较重要的就是探头接地线应尽量短。以免接地线耦合其它干扰和噪声。长地线的寄生电感还会降低测试带宽。因此在 N7023A 的三种灵活测试组合中，采用探头针尖直接点测和短弹簧地针的组合效果最佳，当然采用双列直插连接和贴片器件夹的组合具有更佳的连接和测试方便性，因此有时需要在测试精度和连接方便性之间进行平衡。
以上描述了推荐进行精确电源纹波和噪声测试的示波器和探头组合以及测试中的一些小技巧，这些是得到真实测量结果的基础和保证。在得到期望的波形后，又该如何进行分析呢？
通常情况下，可以采用直方图统计和进行简单的 FFT频谱分析：
直方图统计可以观察得到纹波或噪声在数值上的分布情况，而 FFT频谱分析则可以从频域角度去对电源纹波和噪声的本质进行深层次的观察。如上图示，通过对信号进行 FFT运算立刻可以发现此电源噪声频率为 1.71 GHz。
如果对信号进行 FFT分析后，发现多种频率源的干扰，又该如何分别进行定位和量化呢？
以下图为例，黄色 CH1 波形是测得的 3.3V 的电源信号，f2 是采用 Horz Gateing 函数运算得到的一段水平放大波形。对 CH1 信号进行 FFT 运算可以看到其频谱中包含 2.8 M 开关频率及其谐波分量和来自于 10 MHz 时钟的干扰。如果测试得到的纹波结果超过系统容许值，那么该如何改进呢？显然，2.8 MHz 的开关频率是已经选定的开关电源带来的，而 10 MHz 的时钟干扰是外来干扰，比较容易通过重新布线或其它方法去除。因此我们现在就需要对 10 MHz 的时钟干扰耦合进来的电源噪声数值进行定量分析。
因此将 10 MHz 时钟信号接入到 CH2，并设置触发源为 CH2。那么其它干扰源耦合到电源上的噪声因为与 10 MHz 时钟无关具有随机性。设置示波器的采集模式为平均，比如 1024 次平均，随机信号就被滤除掉。这时就可以清晰的辨别出 3.3V 电源信号上因为 10 MHz 时钟产生的噪声和干扰的幅度。如下图示:
示波器进行开关电源纹波测试的时候，有以下几点需要注意：
是德科技
