嵌入式硬件杂谈（八）电源的“纹波”到底是什么？

纹波的引入：在我们嵌入式设备中，很多时候电路电源的纹波很敏感，纹波太大会导致系统不工作，因此设计一个纹波很小的电路就是我们的需求了。

电路的纹波是什么？

纹波（Ripple）是指电源输出中叠加在直流电压上的周期性波动成分，通常是由于交流电源整流和开关电源的工作原理所引入的。它表现为输出直流信号上的周期性波形，主要包括低频和高频的正弦或脉冲信号。

纹波的来源

整流电路 在交流电整流为直流的过程中，由于滤波器（如电容）的容量不足，会在直流电中留下未完全消除的波动，通常表现为工频纹波（如 50Hz 或 60Hz）。

开关电源 开关电源通过高频开关工作，导致输出电压中可能存在高频的脉动分量，这是由于高频开关噪声和电感/电容滤波不足造成的。

负载波动 当负载变化时，电源调节响应可能滞后，导致短时间内出现电压波动。

因此如下图的才是纹波，其他两幅图中的都不是纹波。

下面这两幅图都不是纹波。

首先我们要知道电源分为线性电源和开关电源，他们都可以把一个电压转为另一个电压，但是在转变的过程中，他们会表现出不同的特性，这个问题在之前我们的硬件篇中也有讲过，

线性电源的内部原理

线性电源是一种通过线性调节器对电压进行稳压的电源类型，其核心是利用串联调整元件工作在线性区进行电压调节。

输入整流和滤波：交流输入电压通过整流桥整流成脉动直流电压，再通过滤波电容（或电感-电容组合）滤波，形成一个相对平滑的直流电压。

稳压电路：使用一个串联调整元件（如晶体管或 MOSFET），与负载串联，调节输出电压。

调整元件根据误差放大器的反馈信号工作在线性区，调整通过的电流大小。

反馈控制：输出电压通过采样电路与参考电压（如基准二极管产生的稳定电压）进行比较。

误差放大器放大两者的差值，控制调整元件，以稳定输出电压。

表现出来的特性也不算纹波了，纹波淹没在其中了。

开关电源的内部原理

开关电源（Switching Power Supply）是一种通过高频开关技术将电能高效转化的电源类型，其调节方式基于开关元件的开断操作。

输入整流和滤波：将交流电压整流成直流电压，通过滤波器消除工频噪声。

高频转换：开关元件（如 MOSFET）在高频（几十 kHz 到几 MHz）下工作，通过脉宽调制（PWM）控制开关占空比，调节输出电压。高频变压器在此阶段将输入电压升压或降压。

输出整流和滤波：高频脉冲电压通过二极管整流，再通过电容和电感滤波，形成稳定的直流电压输出。

反馈控制：采样输出电压，与参考电压比较后，将误差信号反馈到控制电路，调节开关元件的占空比。

不产生纹波的电源

电源中要做到完全不产生纹波几乎是不可能的，但纹波的幅度可以被极大地抑制。以下是一些关键点：线性稳压器是实现低纹波的最佳选择：线性稳压器通过调整元件（如三极管或 MOSFET）在其线性工作区内连续调整输出电压，能够平滑输入电压的波动。它不会像开关电源那样使用高频开关操作，因此没有开关引起的高频纹波。滤波器和反馈控制可以将输入端残余的低频纹波进一步抑制，使得输出电压极其平稳。大部分剩余干扰信号可能是系统噪声：系统噪声可能来源于输入电源的电磁干扰（EMI）、电路板的寄生效应或者外部环境。线性稳压器的高频抑制特性可以减少这些噪声传导到输出端。

 开关电源一定会产生纹波

开关电源的工作原理决定了它必然会产生纹波，且纹波大小是衡量开关电源质量的重要指标：纹波产生的原因：高频开关动作（开关管的导通和关断）会引入尖峰电压和电流，形成高频纹波。高频变压器、电感和电容中的寄生效应也会导致高频纹波。输出滤波器的设计不足或元件选型不当可能加剧纹波的幅度。纹波大小是衡量开关电源性能的关键指标：高品质开关电源会通过更好的滤波设计（如 LC 滤波器、多级滤波）和优化电磁兼容性（EMC）的设计，来尽量减小纹波。即便如此，开关电源的纹波水平通常比线性电源高，尤其在高频端。

使用线性稳压器实现低纹波设计的优势

如果需要设计纹波极小的电源，线性稳压器是更好的选择，原因包括：本质低纹波：线性稳压器没有高频开关操作，不会引入高频纹波。其输出的低频纹波主要由输入端工频纹波决定，可以通过合理选择滤波电容容量和种类来进一步抑制。更好的噪声抑制性能：线性稳压器可以有效滤除输入端的高频噪声和低频波动，使得输出更加稳定。适用于对噪声和纹波敏感的场景，如音频设备、精密测量仪器和通信设备。设计简单：与开关电源相比，线性电源的电路设计和调试更加简单，不需要考虑高频开关噪声的复杂抑制措施。

选择线性稳压器的注意事项

虽然线性稳压器在纹波性能上表现出色，但在设计时也需要注意其缺点：效率较低：线性稳压器通过调整元件线性降低电压，多余的能量以热的形式耗散，因此效率较低，尤其是在输入电压和输出电压相差较大的情况下。功率限制：由于热损耗问题，线性稳压器的功率输出有限，不适合大功率场合。输入输出差距的限制：线性稳压器要求输入电压高于输出电压（称为压差），通常需要设计预留足够的压差。

因此不产生纹波，抑制输入电压波动，大部分测到的是系统噪声的，而开关电源一定产生纹波，纹波大小是衡量开关电源的指标，如果想设计纹波很小的电源，用线性稳压器才是不错的选择。

特性	线性电源	开关电源
主要纹波来源	工频整流后的残余纹波	高频开关操作和 EMI
纹波频率	低频（50Hz 或 60Hz）	高频（kHz 至 MHz 级别）
纹波幅度	非常小，通常在毫伏级别	较大，通常在几十到几百毫伏范围
控制难度	易于通过滤波和反馈控制抑制	难度较高，需设计多级滤波

多小的纹波才算小？

纹波电压	评价	适用场景
< 1 mV	极小	精密测量仪器（如医疗设备、实验室用精密电源）。
1 - 10 mV	很小	高端音频设备、低噪声通信设备、模拟电路供电。
10 - 50 mV	小	一般数字电路、电机驱动、普通嵌入式设备。
50 - 100 mV	中等	开关电源常见水平，适用于功耗较大且对噪声不敏感的设备（如家用电器）。
> 100 mV	较大	对噪声敏感性低的设备或非关键性供电场景。

纹波的允许范围因应用不同而异：

（1）模拟电路和精密设备

• 纹波越小越好，通常小于1 mV。

• 例如：

  • 高精度ADC/DAC：纹波可能直接影响信号质量。

  • 医疗设备：如心电图仪和超声波仪器，需要非常干净的电源供电。

（2）数字电路

• 数字电路相对耐受一些，但纹波过大会引发逻辑错误。

• 典型需求：

  • 一般数字电路：纹波小于50 mV即可。

  • 对噪声敏感的高速通信接口或高速处理器：纹波应控制在10 mV以内。

（3）功率电子和电机驱动

• 功率驱动器和大功率负载对纹波要求较低，可以接受较大的纹波（50-100 mV或更高）。

• 例如：

  • 工业电机控制、电池充电设备。

（4）音频设备

• 音频设备的纹波会影响噪声水平：

  • 高端音频设备通常要求纹波小于5 mV，以避免听得见的电源噪声。

  • 一般音响设备：纹波小于10-20 mV即可。

（5）嵌入式系统和单片机

• 典型的单片机和嵌入式系统要求纹波在10-50 mV范围内。

• 如果系统包含精密传感器模块，可能需要更低的纹波。