卓越的開關(guān)電源提供線性性能

工程師們?cè)跒楣ぷ髋_(tái)測(cè)試或 ATE 系統(tǒng)選擇儀器級(jí)電源時(shí)經(jīng)常會(huì)猶豫不決：應(yīng)該選擇開關(guān)式電源還是線性電源？開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)在于效率高、體積小、發(fā)熱量低，而線性開關(guān)則偏大、偏重。然而，在選擇開關(guān)電源或線性電源時(shí)，最重要的考慮因素是電子噪聲。人們普遍認(rèn)為開關(guān)電源的噪聲大于線性電源。

儀器級(jí)電源主要用于產(chǎn)品的測(cè)量與測(cè)試。在工作臺(tái)上，這些電源大多通過旋鈕或按鍵控制；在自動(dòng)化系統(tǒng)中，它們通過 GPIB、LAN/LXI 或 USB 接口進(jìn)行控制。儀器級(jí)開關(guān)電源在 20 世紀(jì) 70 年代末期便已問世。然而，早期的設(shè)計(jì)往往存在大量的電子噪聲，因此并不適用于測(cè)試對(duì)噪聲比較敏感的器件。

經(jīng)過多年的發(fā)展，開關(guān)電源設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但是人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)仍停留在以往的印象中。由于人們對(duì)電子噪聲的本質(zhì)缺乏了解，也不清楚它對(duì)被測(cè)件（DUT）有什么負(fù)面影響，所以“害怕缺陷仍然存在”的擔(dān)憂有可能會(huì)持續(xù)下去。

造成這種擔(dān)憂的原因之一是開關(guān)電源一般在 50 kHz 至 100 kHz 的頻率范圍內(nèi)工作（或進(jìn)行開關(guān)切換）。在切換頻率和諧波上會(huì)生成電噪聲。相反，線性電源是在線頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波上生成噪聲，因此噪聲剖面的頻率較低且較容易消除。

需要考慮的噪聲有三種：峰峰常模噪聲，RMS 常模噪聲和共模噪聲。常模噪聲是指電源正極輸出引線與負(fù)極輸出引線的噪聲差。共模噪聲是指正極和負(fù)極輸出引線與接地的噪聲差。見圖 1。

圖中文字中英對(duì)照：

當(dāng)今市場(chǎng)上出現(xiàn)的大部分電源只規(guī)定了 RMS 常模噪聲的技術(shù)指標(biāo)。然而，峰峰噪聲與共模噪聲的問題更嚴(yán)重。對(duì)多數(shù)電源來講，峰峰常模電壓噪聲可能比 RMS 噪聲高 10 倍。此外，人們對(duì)共模噪聲的誤解同樣很深。大部分電源極少規(guī)定共模噪聲的技術(shù)指標(biāo)，但實(shí)際上在使用開關(guān)電源時(shí)，它才是產(chǎn)生噪聲問題的罪魁禍?zhǔn)住?

工程師在意識(shí)到電源會(huì)在高頻上產(chǎn)生噪聲后，立刻有所警惕。然而，在電源輸出和被測(cè)件之間的典型布線經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電感和電容。因此，引線本身往往就成為過濾高頻噪聲的濾波器。結(jié)果在 80% 到 90% 的情況中，由于布線的濾波效應(yīng)，高頻噪聲不能到達(dá)被測(cè)件，因而不會(huì)造成不良影響。但是在另外 10% 到 20% 的情況中，噪聲會(huì)產(chǎn)生影響。

由于常模噪聲是正極、負(fù)極電源引線中的電壓差，所以會(huì)對(duì)被測(cè)件造成不良影響。共模噪聲在兩條引線的電壓值相同，所以看上去對(duì)被測(cè)件“不存在影響”。雖然共模噪聲不會(huì)像常模噪聲那樣對(duì)被測(cè)件產(chǎn)生影響，但應(yīng)該注意到，共模噪聲電流實(shí)際上會(huì)流過被測(cè)件，一旦它進(jìn)入被測(cè)件，就有可能導(dǎo)致與輻射和串?dāng)_有關(guān)的問題。

已知共模噪聲在兩條引線中的電壓值相等，則共模噪聲電流的值也相等。圖 2 中，共模噪聲電流 Icm1 和 Icm2 分別經(jīng)過每條引線的阻抗 Z1 和 Z2，阻抗兩端發(fā)生壓降，將共模電流噪聲轉(zhuǎn)變?yōu)楣材ｋ妷涸肼?。只要兩條引線中的阻抗接近相等，那么每條引線中的壓降也會(huì)相等，因此這種噪聲對(duì)被測(cè)件的影響可以“忽略”。但是如果每條引線的阻抗不同，那么壓降也會(huì)不同。壓降的差值將導(dǎo)致正極、負(fù)極引線之間的電壓差，由此產(chǎn)生常模電壓噪聲。共模電流噪聲因?yàn)橐€阻抗失配而轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｄｋ妷涸肼暋Ｒ虼?，這個(gè)神秘的、無形的、未作明確說明的共模噪聲將會(huì)變成有害的噪聲，而且它在示波器上顯示得還相當(dāng)明顯。

圖中文字中英對(duì)照：

如果在設(shè)計(jì)電源時(shí)對(duì)相關(guān)問題給予了非常周密的考慮，那么開關(guān)電源通常將不會(huì)產(chǎn)生大量的共模電流。由于電源通常不會(huì)提供詳細(xì)的共模噪聲技術(shù)指標(biāo)，因而您在選擇開關(guān)電源時(shí)，無法確定自己看到的是設(shè)計(jì)優(yōu)秀、共模噪聲小的開關(guān)電源，還是設(shè)計(jì)簡單、未采取任何共模噪聲抑制措施的開關(guān)電源。

當(dāng)您比較看重噪聲問題時(shí)，選擇一個(gè)低噪聲的電源非常重要。共模電流噪聲可能蘊(yùn)藏潛在的危險(xiǎn)。您如何評(píng)價(jià)自己選擇的電源，特別是在沒有共模電流噪聲技術(shù)指標(biāo)的情況下？您正考慮的電源足夠好嗎？能否在所有的設(shè)計(jì)中都采用同樣的電源？

卓越的電源制造商將會(huì)清晰地指明共模噪聲電流的技術(shù)指標(biāo)，使那些對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的用戶能夠得知該電源是否適合自己的應(yīng)用。查看這個(gè)技術(shù)指標(biāo)，您就可以確定自己選擇的開關(guān)電源是否“先進(jìn)”。

為什么不是所有的電源都能提供較低的共模噪聲？設(shè)計(jì)具有較低共模噪聲的開關(guān)電源是一件非常困難的任務(wù)，大多數(shù)電源設(shè)計(jì)者沒有這方面的專業(yè)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。此外，消除共模噪聲需要額外添加昂貴的元器件，這將提高電源的價(jià)格。

只有致力于降低開關(guān)電源噪聲的廠商才能提供共模噪聲極低的儀器級(jí)電源，使開關(guān)電源具有近似線性的噪聲性能。例如，安捷倫科技擁有超過25年的開關(guān)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已推出第七代開關(guān)電源體系結(jié)構(gòu)，將共模電流降低到 3 mA。首先，安捷倫通過控制開關(guān)電路內(nèi)部的邊緣和尖峰來降低噪聲。其次，我們采用了多層已獲專利的共模濾波器，減少諧波，阻止電源輸出共模噪聲。在降低共模噪聲的同時(shí)，我們專有的濾波器設(shè)計(jì)也降低了常模噪聲。展望未來，安捷倫正采用新技術(shù)來設(shè)計(jì)新一代電源，將把共模電流噪聲降至微安范圍內(nèi)。

工程師們希望開關(guān)電源能夠提供更多優(yōu)勢(shì)，包括：縮小體積、降低成本、提高效率/更加“環(huán)?！薄⒔档桶l(fā)熱量，以及提供更多種儀器級(jí)電源以供選擇。然而，工程師必須提防噪聲（特別是共模噪聲）。通過選擇和使用具有降噪設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)開關(guān)電源（例如安捷倫提供的電源），工程師們已經(jīng)在多數(shù)應(yīng)用中取得了良好的效果。有些應(yīng)用中，傳統(tǒng)電源噪聲問題通常比較嚴(yán)重，新型電源的問世為它們掃平了障礙。

當(dāng)然，某些應(yīng)用中（例如測(cè)試 VCO、PLL 和尋呼機(jī)）的被測(cè)件仍然對(duì)噪聲極為敏感。在這些應(yīng)用中，需要使用噪聲低至 1/f（一般單位為 nV/?Hz）的電源，因?yàn)檫@種低頻噪聲可能會(huì)生成抖動(dòng)。線性電源可以達(dá)到 1/f 的低噪聲水平，所以適用于這些應(yīng)用。