电源的输出纹波和噪声：工程师的隐形挑战

在电子工程领域，电源的性能直接关系到整个系统的稳定性和可靠性。工程师们在为被测件选择电源时，除了关注电压、电流和功率这些基本参数外，输出噪声也是一个不容忽视的重要因素。理想情况下，电源应提供完美的直流（DC）输出，没有任何串扰信号或地线干扰。然而，在现实世界中，电源输出端总是存在一定程度的噪声，这些噪声主要分为差模（串模）电压噪声和共模电流噪声。

图1.共模与差模噪声简图

一、差模电压噪声：电源噪声的常见面孔

差模电压噪声是我们通常所说的电源噪声，它主要来源于输入电网频率相关的纹波以及其他随机噪声的叠加。在开关电源中，高频开关动作是产生纹波和噪声的主要源头。高品质的台式程控电源通常能够将这种噪声电压的峰峰值控制在2-10毫伏（mV）之间。为了降低周围环境对电源噪声的影响，建议使用双绞线连接电源和被测件，并尽量让电源远离大功率设备和其他噪声源。

二、共模电流噪声：隐藏的威胁

共模电流噪声是输出端与地之间的电流噪声信号。在大多数情况下，线性直流电源的共模电流噪声表现要优于开关直流电源。然而，在一些对噪声极为敏感的应用场景中，如雷达等高精度模拟电路，共模噪声可能会成为一个严重的问题。在传统开关程控电源中，由于开关管与散热器之间存在寄生电容，高压转换（dV/dt）会在电容上耦合到输出端，从而产生高达上百毫安的峰值高频电流。相比之下，正常设计的线性直流电源通常只会产生几微安的峰值共模电流噪声。

图2.共模电流噪声与回路

三、降低共模噪声的策略

为了降低共模电流噪声对系统的影响，可以采取一些措施。例如，将电源与被测件共地，但前提是这个地必须是干净的。此外，确保电路中的对地阻抗具有互补性，通过阻抗平衡来抵消产生的电压。如果电路不是以大地为参考，比如采用差浮地供电，那么共模电源噪声通常不会成为问题。

四、高性能电源模块的突破

尽管传统开关电源的共模电流噪声较高，但通过精心设计，可以显著降低这一数值。例如，Keysight N6762A电源模块采用了开关电源结构，但其峰值共模电流噪声不到2毫安，这一性能甚至优于线性电源。这表明，即使是开关电源，也能够满足低噪声测试的应用要求。

在电子工程的世界里，电源的输出纹波和噪声虽然看似微不足道，但却可能对系统的性能产生深远的影响。工程师们需要深入了解这些噪声的来源和特性，并采取有效的措施来降低它们的影响。无论是通过优化电源设计，还是采用合适的滤波技术，目标都是为了确保电源能够为被测件提供稳定、纯净的电力支持。