电源纹波是电源品质的重要指标之一，除了工程师外，普通用户也会关心纹波的大小。通常在实验室中示波器被用来测量电源纹波，但是具体操作流程存在随意性大，可复现性低等问题。本文从基本概念出发，以Raspberry Pi Pico为例，介绍了电源纹波测量的基本流程。本文以实测演示对比来描述精通纹波测量需要掌握的技巧和注意要点，帮助大家实现纹波测量又快又准的目标。
01 电源纹波的概念
随着集成电路的发展进步，用电设备的电源电压越来越低。例如目前主流微处理器的供电电压已经低至1V左右，用于移动设备的LP-DDR系列存储器，供电电压最高也不超过1.8V。这些非常接近硅阈值电压的用电设备，对电源的品质也提出了越来越高的需求。除了电源工程师会关注电源品质外，普通用户在经受低质量电源困扰之后，也会通过不同手段来关注、改善电源的质量。例如在高保真（Hi-Fi）音响爱好者圈子里，就流传着 “火电力度大，水电解析力高，雅鲁藏布江的水电效果好” 等段子。更不乏为了改善电源质量，花重金购买一根昂贵的电源线材。Hi-Fi爱好者的部分观点和行为虽然缺乏足够的科学依据，但也从一个侧面可以反映出电源对用电设备的影响是举足轻重的。
电源品质中，一个比较重要的指标是电源纹波。电源纹波（ripple）通常认为是在直流电源输出中，叠加在直流分量上的并不需要的交流分量。这些交流分量通常是在交流转直流过程中，由于电路的局限性无法完全滤除不需要的频率分量而产生的。值得注意的是，虽然电池产生的电压在短时间内是固定不变的，并且原理上不存在纹波，但是对于使用电池供电的设备，我们仍然需要关注电源的纹波。一方面，随着电池容量的消耗，电压会逐渐降低，为了保证用电设备的输入电压恒定，电池的电压会经过DCDC转换器进行变换，此时会引入额外的交流分量。另一方面，用电设备对电压的需求不一致，一款消费级设备就会需要多个不同的电源轨，因此会引入多个电压转换器，进而产生不同的交流分量。
02 电源纹波的基本测量
这里以一个常见的Raspberry Pi Pico开发板的电源模块为例，介绍电源纹波测量的基本流程。
2.1 Raspberry Pi Pico电源简介
Raspberry Pi Pico是一个小巧实用的MCU板子，供电由一颗来自RICHTEK的RT6150B完成，输出电压是3.3V，电路如图1所示。RT6150B是一个Buck-Boost转换器，因此输入电压既可以高于也可以低于3.3V。板子的供电来自USB接口的5V，实现的是降压转换。值得注意的是，RT6150B有一个Power Save Mode（PSM）。当芯片的7脚（PS）拉低时，PSM启用，芯片工作在PFM模式，效率较高，但是纹波也较高。当PS拉高时，PSM禁用，芯片工作在PWM模式，轻载时效率降低，但是纹波也较低。
实际测量时，我们通过软件控制PS拉低或拉高，从而使供电模式在PFM和PWM之间切换，进而对比二者的差异。测量点位方面，供电输出处有一颗电容C2，我们可以测量C2两端的电压来测量纹波。
树莓派pico的电源设计怎么样？
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2.2 示波器设置
探头：纹波是叠加在电源直流分量上的一个交流电压分量，因此和普通电压信号测量比较类似，选择一个无源电压探头即可。如果探头上可以设置衰减，例如有1X和10X两个档位，需要设置到没有衰减，即1X的档位上。
探头接地线：拔掉。没错，去掉探头上所有的接地延长线，包括最常用的接地夹。探头的接地要使用接地弹簧。接地弹簧是无源探头的标准配件，可以用最短的路径就近接入板上的地线。
垂直通道：设置为AC耦合；带宽限制设置为20 MHz；本着先粗后细的原则，垂直刻度可以先设大一些，例如50mV/div；检查并确认探头的衰减正确设为了1X。图2是一个示波器垂直通道的设置示例。
时间刻度：本着先粗后细的原则，时间刻度可以先设大一些，例如1ms/div，待后续观察到信号后，再放大查看细节。
触发系统：由于使用AC耦合，触发电平可以设为0V，使用边沿触发即可。
2.3 测量波形
使用上述配置，可以测得输出电容两端的交流电压如图3和图4所示。为了方便对比，2张图的垂直刻度都统一设置为了5mV/div。
我们不难发现，相比PWM模式，PFM模式下，电源的纹波是明显大的，这和datasheet的描述是一致的。
具体纹波的数值，可以通过数格子、光标或示波器的自动测量功能获取。
03 测量电源纹波的坑，你掉进去过吗？
本节为大家介绍如何用好示波器的自动测量功能，以及电压探头衰减、接地线对电源纹波测量的影响。
在前两节讲述的基本测量流程里，有不少操作初学者可能会比较迷惑，通常问的都是“为什么要xxx”。也有些有经验的工程师为了操作快，或者偷个懒，偶尔也会不遵守。还有些现代示波器的高级功能，能充分利用好可以事半功倍。接下来的几个小节结合一些工程测量实际，为大家展开描述这些要点。
看文字要点前，先给大家看一个视频：测量电源纹波的坑，你掉进去过吗？👇
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3.1 用好示波器的自动测量功能
示波器的时间轴和电压轴都是经过标定的，数值具有明确的物理和计量意义，因此通常需要在测试报告中记载相应的数值。具体到纹波测量，通常最关心纹波的大小，可用纹波的峰峰值，有效值等指标表示。在模拟示波器上，可以通过数格子的方法来读出数值。在早期的数字示波器上出现了光标，用于手动测量2个点之间的相对值。这些测量功能作为示波器的基本功能也保留至今。
进一步地，现代示波器一般都具有强大的自动测量功能，只需要简单按键或者点击，就可以将常见数值指标显示在屏幕上，并且实时刷新。如图5所示，对于这个不规则的周期纹波信号，示波器测得峰峰值有116.7mV，有效值有26.24mV。如果需要周期、频率等指标，也可以用类似的方法快速得到。
3.2 电压探头衰减的影响
在第一期中我们有提到，无源探头的衰减要设置为1X。原因是1X是无衰减档位，带宽较小，而且去掉了衰减器带来的噪声，会减弱额外噪声的影响。如图6所示，普通无源探头的衰减档位是通过拨动开关来选择的，测试时一定要先确认档位设置正确。图7和图8是同一个探头设置在10X和1X测量同一个信号的波形（已分别在示波器中设置了正确的衰减，屏幕显示的是真实电压值，无需换算）。可以看到图7的波形相比图8明显叠加了更多的高频噪声，信号细节不够清晰。使用示波器的自动测量功能，也会发现读数不同。
3.3 接地线的影响
在第一期中我们也提到，探头接地线要拔掉，使用探头的接地弹簧来就近接地。具体的操作方法如图9所示，探头上只有探针和接地弹簧2个组件，没有额外的接地延长线。探针和接地弹簧的触点之间只有数毫米的距离，可以直接接入到板子上的无源器件两端。对于纹波测量，在电源模块输出的滤波电容两端测量是一个不错的选择，如图10所示。
图11是一种错误的示范。使用探头的接地夹，图方便就夹在了板子边缘的地线上，直流通路看上去没有问题。但是接地夹通常有数厘米甚至更长，板子上的走线通常也是厘米量级，测量环路就会比使用接地弹簧的方案长很多。因此会引入更多不必要的噪声，如图12所示，目测波形上就有反复出现的尖峰，显然是和真实情况相违背的。
如果仔细观察，还可以看到图11中，接地夹构成的环路中，甚至还有一根白色电缆穿过，这些都是不严谨的测量方式，需要及时改正。
本期内容就到这里~大家关于电源纹波测试有什么问题，欢迎打在文章或者视频的评论区喔~