卓越的开关电源提供线性性能

工程师们在为工作台测试或 ATE 系统选择仪器级电源时经常会犹豫不决：应该选择开关式电源还是线性电源？开关电源的优点在于效率高、体积小、发热量低，而线性开关则偏大、偏重。然而，在选择开关电源或线性电源时，最重要的考虑因素是电子噪声。人们普遍认为开关电源的噪声大于线性电源。

仪器级电源主要用于产品的测量与测试。在工作台上，这些电源大多通过旋钮或按键控制；在自动化系统中，它们通过 GPIB、LAN/LXI 或 USB 接口进行控制。仪器级开关电源在 20 世纪 70 年代末期便已问世。然而，早期的设计往往存在大量的电子噪声，因此并不适用于测试对噪声比较敏感的器件。

经过多年的发展，开关电源设计已经取得了长足的发展，但是人们对它的认识仍停留在以往的印象中。由于人们对电子噪声的本质缺乏了解，也不清楚它对被测件（DUT）有什么负面影响，所以“害怕缺陷仍然存在”的担忧有可能会持续下去。

造成这种担忧的原因之一是开关电源一般在 50 kHz 至 100 kHz 的频率范围内工作（或进行开关切换）。在切换频率和谐波上会生成电噪声。相反，线性电源是在线频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波上生成噪声，因此噪声剖面的频率较低且较容易消除。

需要考虑的噪声有三种：峰峰常模噪声，RMS 常模噪声和共模噪声。常模噪声是指电源正极输出引线与负极输出引线的噪声差。共模噪声是指正极和负极输出引线与接地的噪声差。见图 1。

图中文字中英对照：

当今市场上出现的大部分电源只规定了 RMS 常模噪声的技术指标。然而，峰峰噪声与共模噪声的问题更严重。对多数电源来讲，峰峰常模电压噪声可能比 RMS 噪声高 10 倍。此外，人们对共模噪声的误解同样很深。大部分电源极少规定共模噪声的技术指标，但实际上在使用开关电源时，它才是产生噪声问题的罪魁祸首。

工程师在意识到电源会在高频上产生噪声后，立刻有所警惕。然而，在电源输出和被测件之间的典型布线经常会出现电感和电容。因此，引线本身往往就成为过滤高频噪声的滤波器。结果在 80% 到 90% 的情况中，由于布线的滤波效应，高频噪声不能到达被测件，因而不会造成不良影响。但是在另外 10% 到 20% 的情况中，噪声会产生影响。

由于常模噪声是正极、负极电源引线中的电压差，所以会对被测件造成不良影响。共模噪声在两条引线的电压值相同，所以看上去对被测件“不存在影响”。虽然共模噪声不会像常模噪声那样对被测件产生影响，但应该注意到，共模噪声电流实际上会流过被测件，一旦它进入被测件，就有可能导致与辐射和串扰有关的问题。

已知共模噪声在两条引线中的电压值相等，则共模噪声电流的值也相等。图 2 中，共模噪声电流 Icm1 和 Icm2 分别经过每条引线的阻抗 Z1 和 Z2，阻抗两端发生压降，将共模电流噪声转变为共模电压噪声。只要两条引线中的阻抗接近相等，那么每条引线中的压降也会相等，因此这种噪声对被测件的影响可以“忽略”。但是如果每条引线的阻抗不同，那么压降也会不同。压降的差值将导致正极、负极引线之间的电压差，由此产生常模电压噪声。共模电流噪声因为引线阻抗失配而转变为常模电压噪声。因此，这个神秘的、无形的、未作明确说明的共模噪声将会变成有害的噪声，而且它在示波器上显示得还相当明显。

图中文字中英对照：

如果在设计电源时对相关问题给予了非常周密的考虑，那么开关电源通常将不会产生大量的共模电流。由于电源通常不会提供详细的共模噪声技术指标，因而您在选择开关电源时，无法确定自己看到的是设计优秀、共模噪声小的开关电源，还是设计简单、未采取任何共模噪声抑制措施的开关电源。

当您比较看重噪声问题时，选择一个低噪声的电源非常重要。共模电流噪声可能蕴藏潜在的危险。您如何评价自己选择的电源，特别是在没有共模电流噪声技术指标的情况下？您正考虑的电源足够好吗？能否在所有的设计中都采用同样的电源？

卓越的电源制造商将会清晰地指明共模噪声电流的技术指标，使那些对噪声要求严格的用户能够得知该电源是否适合自己的应用。查看这个技术指标，您就可以确定自己选择的开关电源是否“先进”。

为什么不是所有的电源都能提供较低的共模噪声？设计具有较低共模噪声的开关电源是一件非常困难的任务，大多数电源设计者没有这方面的专业技术和经验。此外，消除共模噪声需要额外添加昂贵的元器件，这将提高电源的价格。

只有致力于降低开关电源噪声的厂商才能提供共模噪声极低的仪器级电源，使开关电源具有近似线性的噪声性能。例如，安捷伦科技拥有超过25年的开关电源设计经验，现已推出第七代开关电源体系结构，将共模电流降低到 3 mA。首先，安捷伦通过控制开关电路内部的边缘和尖峰来降低噪声。其次，我们采用了多层已获专利的共模滤波器，减少谐波，阻止电源输出共模噪声。在降低共模噪声的同时，我们专有的滤波器设计也降低了常模噪声。展望未来，安捷伦正采用新技术来设计新一代电源，将把共模电流噪声降至微安范围内。

工程师们希望开关电源能够提供更多优势，包括：缩小体积、降低成本、提高效率/更加“环保”、降低发热量，以及提供更多种仪器级电源以供选择。然而，工程师必须提防噪声（特别是共模噪声）。通过选择和使用具有降噪设计的优质开关电源（例如安捷伦提供的电源），工程师们已经在多数应用中取得了良好的效果。有些应用中，传统电源噪声问题通常比较严重，新型电源的问世为它们扫平了障碍。

当然，某些应用中（例如测试 VCO、PLL 和寻呼机）的被测件仍然对噪声极为敏感。在这些应用中，需要使用噪声低至 1/f（一般单位为 nV/ÖHz）的电源，因为这种低频噪声可能会生成抖动。线性电源可以达到 1/f 的低噪声水平，所以适用于这些应用。