網上已經有很多文章講解電源的紋波測試，告訴大家測試要“AC耦合”、“20M帶寬限制”、“最小化接地環路”等設置條件。
看了這么多，想必大家對這個測試項目達到了“爛熟于心，閉眼可測"的地步，如下為一些比較典型的紋波測試波形。
但是這些波形長得各有特點，每個人測的都不太一樣，不免心生疑惑：
我這個紋波波形怎么和別人測得長的不一樣？
這個紋波的P-P值這么大，符合SPEC要求嗎？
紋波太大，有什么辦法可以減小一些？
帶著上面的疑惑，今天我們不談如何測紋波，帶你重新認識紋波。
什么是“ripple”?
如何定義一個“good ripple”?
“ripple” 的P-P多大為合理？
誰影響了“ripple”的大小？
01
什么是“ripple”?
紋波是指電源輸出電壓疊加在直流電壓上的周期性交流成分，很拗口的表述。
通俗的定義，即紋波為電感電流對輸出電容進行充放電形成的電壓規律性波動。因此，有兩個關鍵因素影響紋波：
一是電感電流；
二是輸出電容；
為了更好的理解紋波的定義，建立如下buck 仿真模型，觀察紋波與電感電流、輸出電容的關系。
V1 ：供電電源；
S2、D1：分別為簡化的上下管開關；
L1、C1：輸出電感和輸出電容；
R1：輸出負載；
仿真參數：Vin=12V，Vout=6V, Fsw=100k，L=5uH，Cout=47uF，Rload=1R
在仿真模型中添加4個測量點，分別測試開關節點波形（SW）、電感電流（IL）、輸出電容電流（I_Cout）、輸出電壓（Vo），運行仿真得到仿真波形。
仿真波形：
仿真結論：
① 從IL（綠色波形）可以看出，電感電流為標準的三角波，平均電流等于輸出電流6A，峰峰值電流為0.75A。
輸出電容上的電流為頻率相同，以零點分布的三角波電流，峰峰值電流也為0.75A
輸出電容的電流（ic）大小等于電感電流(iL)減去負載電流（iload）
② 流經輸出電容的電流ic對電容的充放電形成了電壓紋波，即
電容兩端的電壓隨著充放電周期性變化，就形成了輸出電壓上的紋波。
02
如何定義一個“good ripple”?
我們希望設計出的電源紋波“乖巧動人”，具備以下特點：
①周期性穩定：紋波波形與開關頻率一致，周期性好
②無尖峰：沒有明顯的尖峰干擾或高頻噪聲
③幅度較小：紋波電壓的峰峰值（Vpp）較小
實際設計中，受設計參數、PCB布局、反饋控制等各種因素，紋波表現出現較大的差異性，紋波標準設置為多少才為合理？
03
“ripple” 的P-P多大為合理？
紋波為AC分量，以峰峰值（P-P）來衡量紋波的大小。但是在大部分產品手冊或器件手冊中，并沒有給出具體的峰峰值要求，只是給出了輸出電壓要求（DC值），如下面兩個數據手冊中。
intel ATX3 Desktop Platform供電要求：
JESD79-4 DDR4 供電要求：
在沒有明確要求紋波大小的電源中，一般有兩個方式來制定紋波規范要求。
方式一： 根據輸出電壓設置不同的紋波要求等級，以消費電子產品為例。
假設設計電源輸出為0.8V，則紋波要求為小于20mV; 電源輸出為1.8V，則紋波要求為小于50mV。
方式2：根據電壓的DC值，設置ripple的百分比分量（比較合理的方法）
如DDR4中關于VDD供電要求為1.2V，DC電壓范圍為1.26-1.14=120mV。
這120mV為DC要求的電壓范圍，假設以此同樣作為紋波的峰峰值要求。
120mV的紋波，即為±60mV, 假設實際測試中紋波為-40mV，但是某個瞬間負載增大導致了-30mV的電壓跌落。
從DC 電壓要求和AC紋波要求看-30mV和-40mV都是符合要求的，但是30mV的直流跌落加上40mV的交流紋波，一共存在70mV的電壓降。1.2V-0.07V=1.13V，這很明顯超過DC spec要求，供電穩定性存在風險。
為了充足的電源裕量，常見做法是取DC spec 總體的二分之一或四分之一作為ripple spec，具體多少取決于裕量要求。
如VDD的DC SPEC要求為120mV，那ripple取二分之一或四分之一，即60mV或40mV，那么ripple spec即為±30mV或±20mV。
04
誰影響了ripple的大小？
通過上面的積分公式：
我們可以進一步簡化紋波計算公式：
得出影響紋波的三要素：
① 電感電流峰峰值△IL與ripple為正比關系。
② 開關頻率Fsw和輸出電容值Cout與ripple為反比關系。
影響因素1：電感電流
仿真參數：Vin=12V，Vout=6V, Fsw=100k，Cout=47uF，Rload=1R。
在Buck的簡化模型中，其他參數不變的情況下，將電感值更改為3uH、5uH、7uH
仿真數據：
仿真波形：
仿真結論：
①電感值變大后，電感電流峰峰值變小，則輸出紋波減小。
②電感的核心作用是 “阻礙電流變化”，這種能力隨L的增大而增強。電感值變大后，抑制電流變化的能力變強，所以電感電流峰峰值降低，從而導致輸出紋波減小。
影響因素2：開關頻率
仿真參數：Vin=12V，Vout=6V, L=5uH，Cout=47uF，Rload=1R。
在Buck的簡化模型中，其他參數不變的情況下，將開關頻率分別更改為100k、300k、800k。
仿真數據：
仿真波形：
仿真結論：
①開關頻率增加后，導致電感電流峰峰值減小，則輸出紋波減小。
②開關頻率越高，單位時間內的電流變化越小，因此電感電流更平滑，導致輸出電容上的電流波動也更小，從而輸出紋波更小。
因此可見，開關頻率增加導致紋波減小的本質還是減小了電感電流，那么兩者關系可以從電感公式推導出：
從電感電流計算公式，可得電感電流峰峰值(△I)與開關頻率(Fsw)呈反比關系，與仿真數據相符。
影響因素3：輸出電容
仿真參數：Vin=12V，Vout=6V, Fsw=100k，L=5uH，Rload=1R
在Buck的簡化模型中，其他參數不變的情況下，將輸出電容更改為47uF*1、47uF*2、47uF*3
仿真數據：
仿真波形：
仿真結論：
①輸出電容容值增加后，不會導致電感電流發生變化，而只是減小輸出紋波。
②輸出電容的作用是 “存多余的電、補不夠的電”。電容越大，“存電 / 補電的能力” 越強，電壓就越不容易忽高忽低，輸出紋波越小。
05
本章小結
通過紋波的計算公式：
我們得出了影響紋波值的三個重要因素：電感（電感電流）、開關頻率、輸出電容，其中電感和開關頻率都是通過影響電感電流從而影響了輸出紋波。
