原创 程控电源技术与应用指南（4）- 纹波和噪声

在工程师们使用电源为被测件供电时，首先需要考虑的是电压、电流、功率，之后可能就是输出噪声了。理想电源应该有完美的 DC 输出， 在通道输出没有串扰信号，也没有任何信号从地线串扰到输出端。 但实际上，电源输出端上都存在有限的噪声； 在输出端与大地之间， 由于阻抗不是无穷大，也存在一些漏电流。 前者称为差模（或串模）电压噪声，后者称为共模电流噪声。图 1 就是关于共模与差模噪声源的简图

差模电压噪声是我们通常提到的电源噪声， 其来源主要是与输入电网频率相关的纹波以及其它随机噪声叠加构成。在开关电源中， 高频开关是最重要的纹波和噪声的来源。在高品质台式程控电源中，这两种噪声输出都很小，其噪声电压的峰峰值通常在2-10mV。同时，为了减少周围环境引入噪声，需要使用双绞线与被测件连接，并且让电源远离大功率设备及其它噪声源， 以确保差模电压噪声保持在很低的水平。

共模电流噪声是输出端与地之间的电流噪声信号。 通常情况下， 线性直流电源共模电流噪声要远优于开关直流电源。对于一些对噪声很敏感的应用， 如果不注意到这点，就可能会成为问题。下图显示共模电流噪声回路，因此，共模噪声本身就是电流信号。  

    在传统开关程控电源中，共模电流噪声通常要比线性电源高得多。在开关电源中，开关管通常是固定在散热器上，这样它们之间就存在一个寄生电容。开关管的高压转换(dV/dt)在电容上耦合到输出，通过这个寄生电容生成高达上百毫安的峰值高频共模电流。相比之下，正常设计的线性直流电源通常只会生成几微安的峰值共模电流噪声。但值得一提的是，如果设计不慎，线性直流电源仍能够生成几毫安的峰值共模电流噪声。

    在回路中，共模电流噪声通过回路上的阻抗，会转化成高频电压噪声， 当这个高频电压噪声叠加在直流输出电压上时，会可能成为问题，它会体现基本与常模噪声基本相同的特征。 当然，这取决于被测件回路中的电流幅度和阻抗不平衡。如果足够大，这要比常模(差模) 电压噪声更加麻烦。一般来说，微安级的线性DC电源可以忽略不计，而传统开关DC电源几百毫安的电流则应该引起关注。因此，尽量减少接地线的长度、实现测试系统的共地都是减少共模噪声的有效方法。 由于共模电流噪声经常被错误理解或忽略，人们可能会留下错误的印象，即开关DC电源有高共模电流噪声，从而认为所有开关电源都不适合进行测试。

    但事实证明，共模电流噪声通常对大多数应用并不是问题，大多数应用对噪声相对并不敏感。例如，这里讨论的通信和数字信息系统使用的器件， 在实际使用时就通过开关 DC电源供电。同样，数字电路在电路板上可能会生成相当大的噪声，本身就有明显的噪声余量。   

    但有些时候，共模电流噪声将会是个问题。 像一些诸如雷达这样灵敏的模拟电路，需要增加滤波后， 才可利用一些高性能的开关电源。这些开关电源可以在测试夹具上采用相应的低通滤波技术，能够衰减共模电流噪声中存在的高频谐波。这些滤波技术还可以有效用于其它高频噪声上的抑制，包括AC源EMI和接地环路拾取的噪声。不管采用哪种电源结构，这些噪声都可能会存在的。

 

     下表汇总了各种DC电源典型的共模电流噪声性能。通过认真设计电源，可以最大限度地降低共模电流噪声，使系统开关电源适合低噪声测试的应用要求。例如，Agilent N6762A 电源模块就是开关电源的结构，但其峰值共模电流噪声不到2毫安。由于它已经达到甚至优于线性电源的性能，因此不管什么样的应用，其都不可能成为问题。

表2: 共模噪声电流特点

由于这个共模电流噪声的存在，对地之间的任何阻抗都会产生一个压降这个压降等于该共模噪声电流乘以阻抗值。为了将它降到最低，可以将电源与被测件共地。 当然，这必须是一个干净的地。此外，任何对地阻抗都应有与之互补的对地阻抗值，从而由于阻抗的平衡抵消了任何产生的电压。当如果这个电路不是以大地为参考，例如差浮地供电，那么共模电源噪声通常就不会成为问题。

程控电源技术和应用指南（1）–线性程控电源的工作原理

程控电源技术和应用指南（2）–程控开关电源的工作原理

程控电源技术和应用指南（3）- 恒压和恒流输出模式

程控电源技术与应用指南（4）- 纹波和噪声

程控电源技术与应用指南（5）- 超低纹波和噪声的精确测量方法

程控电源技术和应用指南（6）- 减小电源到被测件的噪声

程控电源技术和应用指南（7）- 电源的串联和并联