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(kāi)關(guān)式電源還是線(xiàn)性電源？開(kāi)關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)在于效率高、體積小、發(fā)熱量低，而線(xiàn)性開(kāi)關(guān)則偏大、偏重。然而，在選擇開(kāi)關(guān)電源或線(xiàn)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(kāi)關(guān)電源的噪聲大于線(xiàn)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(guò)旋鈕或按鍵控制；在自動(dòng)化系統(tǒng)中，它們通過(guò) GPIB、LAN/LXI 或 USB 接口進(jìn)行控制。儀器級(jí)開(kāi)關(guān)電源在 20 世紀(jì) 70 年代末期便已問(wèn)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(guò)多年的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)已經(jīng)取得了長(zhǎng)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(yōu)有可能會(huì)持續(xù)下去。
造成這種擔(dān)憂(yōu)的原因之一是開(kāi)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(kāi)關(guān)切換）。在切換頻率和諧波上會(huì)生成電噪聲。相反，線(xiàn)性電源是在線(xiàn)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(xiàn)與負(fù)極輸出引線(xiàn)的噪聲差。共模噪聲是指正極和負(fù)極輸出引線(xiàn)與接地的噪聲差。見(jiàn)圖 1。
圖中文字中英對(duì)照：
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Figure 1: Noise sources in typical power supply setup Power Supply Normal Mode noise source Common Mode noise source DUT |
圖 1：典型電源裝置中的噪聲源 電源 常模噪聲源 共模噪聲源 被測(cè)件 |
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(wèn)題更嚴(yán)重。對(duì)多數(shù)電源來(lái)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(kāi)關(guān)電源時(shí)，它才是產(chǎn)生噪聲問(wèn)題的罪魁禍?zhǔn)住?nbsp;
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(xiàn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電感和電容。因此，引線(xiàn)本身往往就成為過(guò)濾高頻噪聲的濾波器。結(jié)果在 80% 到 90% 的情況中，由于布線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(wèn)題。
已知共模噪聲在兩條引線(xiàn)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(guò)每條引線(xiàn)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(xiàn)中的阻抗接近相等，那么每條引線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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€(xiàn)阻抗失配而轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｄｋ妷涸肼暋Ｒ虼?，這個(gè)神秘的、無(wú)形的、未作明確說(shuō)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：
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Figure 2: Common mode current becomes normal mode voltage through Z1 and Z2 Power Supply Normal Mode noise source Common Mode noise source DUT At high frequency, C1 and C2 look like short circuits, allowing lcm to flow |
圖 2：共模電流經(jīng)由 Z1 和 Z2 變?yōu)檎ＤＪ诫妷?/p> 電源 常模噪聲來(lái)源 共模噪聲來(lái)源 被測(cè)件 在高頻率中，C1 和 C2 類(lèi)似短路，允許 lcm 流過(guò) |
如果在設(shè)計(jì)電源時(shí)對(duì)相關(guān)問(wèn)題給予了非常周密的考慮，那么開(kāi)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(kāi)關(guān)電源時(shí)，無(wú)法確定自己看到的是設(shè)計(jì)優(yōu)秀、共模噪聲小的開(kāi)關(guān)電源，還是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、未采取任何共模噪聲抑制措施的開(kāi)關(guān)電源。
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設(shè)計(jì)成熟度 |
共模噪聲電流 |
考慮因素 |
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電源設(shè)計(jì)者未采取任何措施來(lái)降低共模噪聲 |
共模電流高達(dá) 0.5A。
包含從切換頻率開(kāi)始的高頻分量，諧波高達(dá) 100 次。已知開(kāi)關(guān)電源的典型切換頻率是大約 100 kHz，則噪聲為 100 kHz 至 10 MHz。 |
如果共模噪聲變?yōu)槌ＤＴ肼?，那么?huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲問(wèn)題。
即便共模電流沒(méi)有轉(zhuǎn)為常模電流，但由于存在如此高的共模噪聲，高幅度、高頻率的電流形成的噪聲輻射也會(huì)帶來(lái)非常嚴(yán)重的影響。
這便是長(zhǎng)期以來(lái)人們認(rèn)為“開(kāi)關(guān)電源不好”的由來(lái)。 |
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絕大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源制造商通常會(huì)采取一定的共模噪聲抑制措施 |
35 mA 至 50 mA
包含從切換頻率開(kāi)始的高頻分量，諧波高達(dá) 100 次。已知開(kāi)關(guān)電源的典型切換頻率是 100 kHz，則噪聲為 100 kHz 至 10 MHz。 |
盡管已經(jīng)采取了一定的措施來(lái)降低共模噪聲，但是仍存在足夠大的共模電流噪聲，如果此共模噪聲變成常模噪聲，那么就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)用問(wèn)題。 |
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卓越的設(shè)計(jì)幾乎完全消除了共模噪聲電流 |
3 mA 至 5 mA
使用濾波器來(lái)降低高頻諧波。 |
共模噪聲非常低，不會(huì)對(duì)多數(shù)應(yīng)用造成影響。 |
當(dāng)您比較看重噪聲問(wèn)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(méi)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(hù)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(kāi)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(kāi)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(méi)有這方面的專(zhuān)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(kāi)關(guān)電源噪聲的廠(chǎng)商才能提供共模噪聲極低的儀器級(jí)電源，使開(kāi)關(guān)電源具有近似線(xiàn)性的噪聲性能。例如，安捷倫科技擁有超過(guò)25年的開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已推出第七代開(kāi)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(guò)控制開(kāi)關(guān)電路內(nèi)部的邊緣和尖峰來(lái)降低噪聲。其次，我們采用了多層已獲專(zhuān)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(zhuān)有的濾波器設(shè)計(jì)也降低了常模噪聲。展望未來(lái)，安捷倫正采用新技術(shù)來(lái)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(kāi)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)保”、降低發(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(guò)選擇和使用具有降噪設(shè)計(jì)的優(yōu)質(zhì)開(kāi)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(wèn)題通常比較嚴(yán)重，新型電源的問(wèn)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/ÖHz）的電源，因?yàn)檫@種低頻噪聲可能會(huì)生成抖動(dòng)。線(xiàn)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。