电源纹波和电源噪声都是电源转换电路的必然产物。在很多应用中，如芯片、AD/DA转换器，VCO，通信，光电等，对纹波噪声有极高的要求。如下图所示，大的纹波噪声甚至造成无线通信模块的信号眼图质量严重的下降。
直流电源是什么？
直流电源有正、负两个电极，正极的电位高，负极的电位低，当两个电极与电路连通后，能够使电路两端之间维持恒定的电位差，从而在外电路中形成由正极到负极的电流。直流电源是一种能量转换装置，它把其他形式的能量转换为电能供给电路，以维持电流的稳恒流动。
交流电源和直流电源的区别是什么？
方向不随时间变化的电流称为直流(Direct current, DC)。电池供给的电流，大小和方向都不随时间变化，所以属于直流，也叫恒定电流。只大小变化的电流，也叫直流电。
直流电是沿恒定方向单向流动的电流。下图是恒定直流电压的波形，横坐标是时间，纵坐标是电压（当然也可以是电流）。
交变电流：电流的大小和方向都随时间做周期性的变化，这样的电流叫做交变电流（Alternating current)，简称交流（AC)。家庭电路中的电流，属于交流电。下图是交流电的波形：
交变电流 (AC)
我们平时用的220V市电，就是交流电。如果要点亮灯泡，交流电和直流电都是可以的。但感应电机需要交流电驱动 ，而大多数电子设备，内部都需要直流供电。
交流电流和直流电流的主要区别：
电流的大小不同 - 交流电的电流大小是呈现周期变化，而直流电的大小是固定的，不会产生变化。
电流用途的不同 - 交流电一般是使用在断路器、空开、电力电路传输上。而直流电常用在电子仪器、电力拖动上。
电流方向的不同 - 交流电的方向不是固定的，会随着周期的变化而变化。对于直流电而言，直流电的方向是固定的，且从正向负。
电流特性的不同 - 交流电中是存在零点的，电压波会产生正旋波或余旋波，因而可用对应灭弧设备进行电路分合。而直流电没有过零性，因而无法制造断路器。
在供配电领域，交流电比直流电更胜一筹。但在测控领域，直流电比交流电优势更大。
纯净的直流电源的重要性
纯净的直流电源是保持系统稳定的基础。若没有纯净的直流信号，您的器件可能受到损坏或性能下降。若没有纯净的电源，器件就无法保持稳定的性能，并且使用寿命也会缩短。但是，想要获取纯净的电源并不容易。
• 输入功率分析
• 开关损耗分析
• 输出功率分析
• 效率分析
• 频率响应分析
电源探测技术
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输入功率分析
若您的交流输入质量较低或不符合规范，很可能会导致与之相连的其他器件无法正常工作。为了表征输入功率质量，您应该测量实际功率、视在功率和相位角等参数。示波器内置的功率应用程序可以执行这些测量。
通过测量，您将会了解非线性交流负载引起的失真是否会导致问题。查找电压波形上的凹陷或“下降”以及凸起，因为这些会造成电流尖峰，可能对器件有害。
除了上述测量，电流谐波分析对于保证器件性能也至关重要。若此项技术指标超过容限，那么输入功率可能会导致连接到交流电网的其他元件发生故障。为了分析谐波，您需要让返回交流电网的频率分量的幅度变得可见。实现这一点的最佳方式是对电流波形进行 FFT 测量。通过示波器的 FFT 或快速傅立叶变换，您能够同时查看频域和时域结果，因此更方便地分析频率分量的幅度。
是德科技InfiniiVision 示波器内置了功率应用程序，可以进行高达 40 次谐波的电流谐波测量。您可以选择一个 IEC 标准作为谐波技术指标。然后，该应用程序将会对比电流谐波的测量结果与标准值，并给出颜色编码的合格/不合格指示。
开关损耗分析 - ”通过分析开关的通断过程，尽量减少功耗。“
一旦验证了输入功率符合您的技术指标要求，下一步就是检测电源的开关元件。理想条件下，开关电源没有任何开关损耗。但是，电源中使用的晶体管在实际中不可能符合理想条件，因此在开关断开和闭合时总会有一些功耗。如果能够分析开关在断开或闭合过程中损耗了多少功率，就能帮助您改进设计，尽量减少该损耗。
如何测量开关损耗?
注：在传导阶段测量功耗时，需要测量电平非常低的电压，因此必须确保示波器和探头偏移已经过校准。
一旦器件完全开启并进入传导阶段，您就会看到功率波形会出现一个尖峰，而后缓慢降回 0 W。这就是瞬时功耗。通过对瞬时功耗进行积分运算，您可以知道每个开关周期中会损耗多少功率。根据该数据，您可以改进设计元件，以便提高器件的效率。影响整体效率的一个关键因素是开关频率。开关频率越快，损耗的功率越多。因此，一个常见的设计目标就是尽量减少开关频率。
"通过算术运算，能够让示波器上通常无法显示的一些信息变得可见，比如功耗。"
输出功率分析
接下来是验证输出功率的质量。
”尽管大多数电源内部都提供了某种滤波和调节，但总会残留一些周期性偏差和随机性偏差 PARD。“
电源的直流输出信号可能包含多余的交流电源纹波和电源噪声，称为“周期性偏差和随机性偏差”(PARD）。尽管大多数电源内部都提供了某种滤波和调节，但总会残留一些 PARD。如果 PARD 超出耗电器件的技术指标，就可能造成麻烦而且难以捉摸的误差。因此，规定 PARD周期性和随机性偏差的值（包括有效值和峰峰值）非常重要。峰峰值提供了关于高幅度、短持续时间的噪声尖峰的信息。这可以帮助您识别危险的大尖峰，从而避免元件损耗，减缓元件老化。有效值RMS值与标准偏差或不确定度一样，用于表征随机噪声。这可以帮助您确定功率的总体稳定度和纯净度。
通过分析周期性和随机性偏差PARD，您可以测试电源的性能和质量，及其抑制开关噪声和其他噪声源的能力。您可以修改设计，以达到器件的电源纹波和电源噪声技术指标。
效率分析
测试电源效率是确定电源工作性能的关键一步。效率是总输出功率与总输入功率的比值。如果效率超过特定电源技术的典型范围，很可能是因为存在设计缺陷，需要您认真解决。此外，电源消耗的所有功率都转化为热量。电源效率越高，它的温度就越低。“直流 — 直流转换”一章对效率进行了更深入的论述。
供电时序
”您可以考虑增加一个电路，用于限制启动期间开关晶体管的接通时间。“
在分析直流输出时，您还应该了解开/关时序。当器件开启或关闭时，需要一系列事件依次发生，以便正确输出电压。开关电源中一个常见的错误是在开/关过程中发生了多余的事件，比如电压骤然升高，这是由反馈回路在试图补偿低电压时造成的。这会造成电流尖峰，可能损坏器件中的开关晶体管，大幅缩短电源的使用寿命。
为了防止发生这种情况，您可以考虑增加一个电路，用于限制启动期间开关晶体管的接通时间。通过在示波器上分析启动时间，您可以查看启动期间是否出现了电流尖峰，然后根据需要调整启动时延。
频率响应分析
分析电源的最后一步是评测其频率响应。器件对各种输入频率有不同的反应，称为“频率响应”。如果您发现频率响应有异常，可以对该特定频率做 FFT 变换，确定产生异常的原因。这些异常或毛刺可能会导致电源发生故障。
”若您发现频率响应中有异常，可以使用 FFT 对该特定频率进行变换。“
该分析通常是完全独立的流程，需要用到网络分析仪。但如果您使用的是是德科技 InfiniiVision 示波器，那么可以利用其内置的频率响应分析功能，而无需再使用其他设备。若要测量频率响应，首先应为器件提供一系列频率，并测量器件输出的增益和相位。根据测量结果，示波器可以绘制出增益和相位随频率变化的图形，称为波特图。
示波器内置的频率响应分析仪可以供应并测量输入和输出电压。然后，它会计算每个频率下的增益，并将其添加至波特图。
增益的计算公式
增益可通过以下公式计算：
波特图通常用于分析放大器和滤波器。由于电源在本质上是一个具有负反馈控制回路的放大器（它放大交流信号，对输出负载状况的变化做出相应反馈），所以利用波特图分析控制回路响应最简单。若要进行控制回路响应测量，可以将交流电压作为输入，直流输出电压作为输出加以探测。这有助于表征电源设计的稳定度。
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接下来做什么？
实现纯净电源的第一步是确保将交流电高效地转换为直流电。为了测试这种转换，我们介绍了以下测试方法：验证输入功率，分析开关损耗，验证输出功率，测试电源工作性能，以及分析器件如何处理不同频率。
现在，我们已经测试完了器件的交流 — 直流电源转换元件的测试，接下来讨论如何将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。
直流 — 直流转换器的作用是将不稳定的直流电压转换为稳定的直流电压。稳压直流电源可以在任何负载条件下提供恒定不变的电压。若没有稳压电源，您的器件性能就有可能下降，甚至完全失效。下面您將了解为确保您的直流 — 直流设计符合设计参数，需要进行哪些测试。
就像交流 — 直流转换是电气设备一个常见的供电元件，直流 — 直流转换对于器件性能和稳定性至关重要。
开关模式直流 — 直流转换器在电子设备中非常常见，因为交流 — 直流转换器并不总是能够提供器件所需的全部直流电压电平。直流 — 直流转换器将直流功率从未经调节的电源转换为经过调节的电压源。然后不管负载如何变化，经过调节的电压源都会提供稳定的电压。由于现代 MPU、FPGA 和 ASIC 工作速度越来越快、工作电压越来越低，直流 — 直流转换器设计必须能够处理快速变化的负载，保持稳定的电压，并且比以往消耗更少的功率。这是一个非常高的要求，但并非无法实现。
本章将介绍为了确保直流 — 直流设计达到设计参数的要求，您通常应该执行的测试：
• 线路调节测试
• 电源纹波测试
• 效率测试
• 负载调节测试
• 启动时间测试
可用于测试直流 — 直流转换器的设备有很多；我们还将简要说明作为业界标准的测试工具。
开关模式直流 — 直流转换器测试
通常来说，您需要一个电源和一个负载来测试直流 — 直流转换器。电源为直流 — 直流转换器 — 电力，而负载消耗电源提供的电力。大多数工程师使用电子负载，允许改变从转换器吸收的电量。
”您同时需要电源和负载来测试直流 — 直流转换器。“
通过该基本设置，您可以测量输入端的电压和电流（分别为 VIN 和 IIN）以及输出端的电压和电流（分别为 VOUT 和 IOUT）。根据这些值，我们可以计算输入功率（PIN）和输出功率（POUT）。
测试线路调节非常重要，因为它会验证您的转换器在任何预期的输入电压波动下都能提供所需的输出电压。
电源纹波测试
什么是电源纹波？
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：
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。
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“了解如何进行最佳信号完整性测量，同时面临测量直流电源上更小、更快的交流信号的挑战。“
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。
电源纹波噪声的危害和抑制
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。
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”借助纹波测试，可以了解直流 — 直流转换器如何抑制输入电源（VIN）中的纹波。“
”重要的是确保器件能够处理转换器内部的纹波和不稳定电源导致的纹波。“
效率测试
通常来说，直流 — 直流转换器最重要的测试就是效率测试。对于电池供电器件尤为如此，因为效率直接影响电池使用寿命。转换器的效率是输出功率与输入功率的比值。若要测试效率，应使用直流电源为转换器提供电力，并使用电子负载从转换器获取电力。直流 — 直流转换器设计的效率通常会受到输入电压和负载所消耗电量的影响。
”转换器的效率是输出功率与输入功率的比值。“
负载调节测试
”负载调节测试测量的是直流 — 直流转换器在变化的负载电流下维持指定输出电压的能力。“
图 2.5 显示了负载调节测试结果。注意当牵引的功率超过最大功率输出能力时，直流 — 直流转换器就无法再将输出电压维持在 15 V。
当从直流 — 直流转换器中拉取更多功率时，输出电压可能会发生波动。当转换器因为更多的功耗而开始变热时，这种情况尤其如此。重要的是确保转换器的电压输出保持在功率包络的技术指标范围内。
启动时间测试
”启动时间非常重要，因为现代 MPU、FPGA、ASIC 等对输入电压有启动电压时序要求。“
直流 — 直流转换器测试所需的设备测试
直流 — 直流转换器时，通常需要使用多种不同的仪器。
接下来做什么？
完全纯净的电源是不存在的。因此，您必须对器件进行测试，了解它对非理想电源的适应程度。跳转到本章，了解如何避免损坏器件，以及测试器件噪声容限的技巧。
本章探讨了在测试耗电器件时应考虑的四个主要的考虑因素：
器件电流测量技术。无缝测量电流是评测电池使用寿命和器件功率管理的关键步骤。
上电时序技术和考虑因素。时序不正确，会导致严重的性能问题和器件损坏。
在测试中，您可以通过两种方式来保护您的器件免受意外损坏。
分析和减小 PARD 的最佳实践。
器件电流测量技术
功率器件比如可穿戴电子设备、便携式医疗设备和智能手机消耗功率的速度变化极大，从几微秒到几秒，从几皮安到几安。在设计具有较长电池使用寿命的器件时，精确的功率分析至关重要。为了进行高精度的功率分析，您需要快速获得精确的、正确表征电池漏电流的测量结果。
”测量这些器件电流消耗的主要挑战是，电流信号具有很宽的动态范围。”
测量动态漏电流
测量这些器件电流消耗的主要挑战是电流信号有很宽的动态范围。移动器件通常在活动状态之间来回切换，在活动状态，器件牵引非常高且快速的峰值电流，而在空闲或待机电流模式中，器件只牵引非常小的直流和交流电流。图 3.1 显示了对通话中的 GSM 手机进行的漏电流测量。活动电流峰值高达 2A，但在空闲模式下，漏电流极小。通常来说，要精确测量该信号非常困难。
无缝电流测量
“通过无缝量程，您能够从一种电流量程过渡到另一种电流量程，不会导致电源输出出现毛刺或中断。”
无缝电流测量200kHz、18 位数字化仪的运作方式与单量程 30位数字化仪相似
对多路功率输入正确排序，以便为器件提供保护
大多数器件具有多路直流输入，可能对输入开启或关闭的顺序非常敏感。
不受控制的顺序可能导致闭锁或电流过大，进而导致可靠性降低甚至发生直接灾难性故障。因此，正确排列多个电压的开启和关闭顺序是确保性能和可靠性的基础。
“合理安排开启和关闭多个电压的顺序对于确保性能和可靠性至关重要。”
有几种方法可以防止排序错误的功率输入：
1. 可以在输入之间放置二极管，以便钳位电压，进而防止输入电压高于或低于其他输入电压。但这种方法效果有限而且会导致混乱，不建议这样做。
2. 继电器可以与每路输入串联，并用计时电路控制，但继电器会引入可变的串联阻抗，并且计时通常也不精确。继电器还会增加额外的成本，因此仅在必要的情况下使用。
3. 包含相关控制电路的 FET 可以与每路输入串联。然而，这种方法需要花费大量时间进行设计，并且会增加设计复杂度。
4. 多个直流电源可以通过软件控制，但时间同样并不精确，并且响应速度会比较慢。
最好是使用有输出排序功能的电源系统。这种方法最精确，并且引入的复杂度最低。
很多系统都能够精确控制多路输出的开启和关闭顺序。然而，在测试器件时，业界最佳实践是使用实验室电源代替最终作为设计一部分的电源。
这样，您就可以通过第 2 章介绍的测试验证电源，并使用本章中的技巧验证器件。进而，您能够更容易地隔离令人难以捉摸的误差或性能问题。
为了给器件供电，您需要能够仿真系统最终电源的实验室电源，即能够设置亚秒级分辨率时序的电源。如果您需要仿真大量器件输入，实现所有实验室电源系统之间的同步也非常有帮助。
"最好是使用综合有输出排序功能的电源系统。"
在使用电源进行测试时如何保护器件？
"器件故障的主要原因是出现过压和过流事件。"
器件故障的主要原因包括过电压和过电流状况。有时，过压或过流状况持续时间非常短，但也有时会一直持续直到被发现。在任何一种情况下，过压和过流状况都是非常危险的。
通过控制电源的电流和电压输出，您就能够避免被测器件在故障或接近故障状况下超过极限。发生过压或过流状况的原因有很多，包括：
• 内部电路故障导致输出电压升高
• 器件控制器故障或编程错误
• 不正确地使用多个电源，如其他电源或电池
• 感应导线连接开路
• 使用本地电压感应，而不是远程感应
• 短接电源输出端子会造成过压状况，进而导致器件发生放电电流浪涌。
• 大器件冲击电流
• 器件过载导致过大电流
• 与即将发生或实际存在的器件电路故障有关的过大电流
• 测试系统接线短路
大多数直流电源都具有保护功能，能够在出现破坏性电压或电流时，保护器件的安全。这称为过压保护和过流保护。当器件触发电源保护电路动作时，保护电路会关闭其输出并显示警告。在测试时，您必须了解并使用这些保护特性。
"大多数直流电源都具有保护功能，能够在出现破坏性电压或电流时，保护器件的安全。"
过压保护
什么是过压保护？
过压保护是指在电路中采用的一种保护措施，可以防止设备在电压超过安全范围时遭受损坏。过压保护技术可以防止突发的高电压干扰，保障设备的长期可靠运行。在电源和信号源之间安装过压保护器，可以有效地防止设备受到电磁干扰的影响。
过压保护原理主要包括两种：
一种是在电路中设计过压保护回路，通过电压传感器将电压信号进行采集，当电压超过设定的范围，发出报警信号，同时通过接触器开关来切断电路。
另一种是采用过压保护器，工作原理对电路进行瞬间电压测量，当电流过大时，就会自动切断电路，以保障设备的安全运行。
过压保护（OVP）的值以伏特为单位，旨在保护器件免受过大电压破坏。当电源输出电压超出过压保护设置值时，就会触发保护功能动作，输出关闭。电源默认总是开启过压保护，但其通常设置为刚好高于电源的最大额定输出。
为了保护器件，应将过压保护电平设置得足够低，以避免出现过大电压，但也要足够高，以防止在出现正常波动时发生“错误跳电”。波动通常发生在输出瞬变状况下，比如负载电流变化。
过压保护电路在几微秒内对过压状况作出响应；然而，输出电压自身不会立即下降。输出的下降时间取决于电源的向下编程功能以及连接到输出的负载。某些电源在输出端有一个硅控整流器（SCR），当触发过压保护时该硅控整流器就开始工作，实现更短的下降时间。
过流保护
过流保护是什么意思？
过流保护（Over Current Protection - OCP）就是当电流超过预定最大值时，使保护装置动作的一种保护方式。当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。
过流保护（OCP）电路旨在保护器件免受过大电流破坏。限流设置将确定电源会在电流超出多大值（A）时阻止电流流动。这与恒流（CC）模式不同。恒流模式只是将输出电流调节到限制电流之下，但不会完全关闭输出。恒流模式下，电压会下降到指定电压设置值以下，电源将继续输出 电流。
"过流保护（OCP）电路旨在保护器件免受过大电流破坏。"
与恒流模式相反，过流保护功能将会完全关闭输出，以防止过大电流流入器件。过流保护功能激活且电源进入恒流模式时，保护电路会触发动作并关闭输出。
过流保护功能有效地将限流设置转换为跳闸值。务必将电流限值设置得适中，既保护被测器件免受过大电流破坏，也防止因为输出电流中的正常波动而导致错误跳闸。此类波动通常发生在输出瞬变状况下，例如在输出电压变化期间。与过压保护功能不同，过流保护功能默认关闭。
什么是周期性和随机性偏差（PARD）?
周期性和随机性偏差Periodic and Random Disturbances,简称PARD（通常称为纹波和噪声）是指在特定带宽下，其他所有参数保持恒定时，直流输出电压与平均输出电压的周期性和随机性偏差。它代表的是调节和滤波电路后仍然残留在直流输出电压中的所有多余的交流和噪声分量（参见图 3.7）。PARD周期性和随机性偏差测量值为 RMS 值或峰峰值，通常是在 20 Hz 到 20 MHz 带宽范围内指定。技术指标给出了 20 Hz 以下的偏差，称之为输出漂移。
"PARD（通常称为电源纹波和噪声）是指直流输出电压与平均输出电压的周期性和随机性偏差。"
如何消除低电平测量中的噪声？
低电平测量中的噪声可能有不同的来源，消除电源噪声比过滤噪声更容易。在进行低电平测量时，尽量消除以下来源的噪声：
电源噪声
首先采用低噪声电源是避免测量结果中包含噪声的一种好办法。线性电源具有较低的共模噪声电流，并且通常在较低的频率上工作。然而，如果开关模式电源的技术指标中包括低共模电流，那么您就可以成功地使用它们。根据经验，超过 20-30 mA 的共模电流可能会导致故障。
"根据经验，共模电流超过 20-30 mA，就可能会导致故障。"
什么是电源噪声？
电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz~30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。
被测器件与电源的连接
被测器件的电流变化
接下来做什么？
为了确保设计有效且高效，您必须确保供电和耗电模块都正常工作。在本章中，我们探讨了有助于保护和表征耗电器件的四个关键方面。
我们已经讨论了如何测试和保护耗电器件，现在我们来了解一些可用于获取纯净电源的解决方案吧。
结论：实现纯净的电源
了解这三个阶段涉及的测试及其操作技巧，可以帮助您消除系统中的更多噪声。现在，您已经知道了如何获得纯净的电源，接下来就可以专注进行设计了。
纯净电源对于提高器件性能和可靠性非常关键。为了帮助您找出并消除系统中的噪声，实现纯净电源，我们在本指南中列出了三个阶段。
通过分析第 1 章中列出的关键电源属性，测试交流到直流转换器的有效性和效率。使用现代化工具提供的自动化功能，可以节省测试时间，并加快进入下一阶段测试。
请参阅第 2 章，了解有效测试直流 — 直流转换器的技巧。通过满足纹波和噪声容限，让器件达到稳定。消除噪声，从而确保直流 — 直流转换器能够处理快速变化的负载，维持稳定的电压，并且消耗较少的电量。
减少纹波和噪声非常重要，但没有电源是完全纯净的。重要的是测试器件如何处理非理想的功率。根据第 3 章中介绍的步骤，避免损坏器件。切记，消除噪声比过滤噪声容易得多。因此，使用本指南中的实用技巧找出并消除系统中的多余噪声，您就开始获得纯净的直流电源了。
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