# 开关电源与线性电源的噪声特性区别 ## 一、噪声产生机制
- 开关电源的核心在于开关管的高频导通和关断。在每次开关过程中，由于电流和电压的快速变化，会产生电磁干扰（EMI）。例如，当开关管从导通状态突然切换到关断状态时，电流急剧下降，根据电磁感应定律，会在周围电路中产生感应电动势，从而形成高频噪声。这种噪声的频率主要与开关频率有关，通常在几十kHz到数MHz之间。 - 开关管在导通和关断瞬间，其两端的电压也会发生突变，产生电压尖峰。这些电压尖峰不仅会干扰电源本身的输出，还会通过电源线和空间辐射等方式传播到其他电路中，形成传导噪声和辐射噪声。
- 开关电源中的变压器和电感等磁性元件在高频工作时，也会产生噪声。由于磁芯材料的磁滞特性，在交变磁场的作用下，磁芯会发生伸缩振动，这种机械振动会产生可听噪声。同时，磁性元件的绕组中通过高频电流时，会产生磁场，磁场的变化也会在周围空间产生电磁噪声。
- 开关电源中的电容在高频下工作，其等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）会对噪声产生影响。ESR会导致电容在充放电过程中产生电压降，当有高频电流通过时，就会产生噪声。ESL则会在高频下改变电容的特性，使其不能有效地滤波，从而使噪声通过电容传播到输出端。
- 线性电源首先通过整流电路将交流电转换为直流电。在整流过程中，整流二极管的特性会导致噪声产生。当二极管正向导通和反向截止时，其电流变化是非线性的，这种非线性变化会产生谐波成分，形成噪声。特别是在大电流整流时，二极管的开关特性会引起较大的电压波动，产生传导噪声。
- 线性电源中的线性调整管工作在线性放大区，会产生热噪声和散粒噪声。热噪声是由于调整管内部载流子的无规则热运动产生的，其功率与温度、带宽和调整管的内阻有关。散粒噪声则是由于载流子通过PN结的离散性产生的，这些噪声会叠加在输出电压上，影响电源的输出质量。
- 线性电源同样需要滤波电容来平滑输出电压。如果滤波电容的质量不好或者容量不足，会导致整流后的残余交流成分不能被完全滤除，从而产生纹波噪声。而且，电容本身也可能会因为内部的介质损耗等原因产生噪声。 ## 二、噪声频率特性
- 开关电源的噪声主要集中在高频段，其频率与开关频率及其谐波相关。例如，一个开关频率为100kHz的开关电源，其产生的噪声频率主要分布在100kHz左右及其倍数频率，如200kHz、300kHz等。这些高频噪声可能会对周围的高频电路，如射频电路、通信电路等产生严重干扰。 - 由于开关电源的高频特性，其噪声的带宽相对较宽，需要使用具有高频特性的滤波电路来抑制噪声。例如，采用多层陶瓷电容和共模电感等元件组成的滤波电路，来滤除高频噪声。
- 虽然开关电源的主要噪声是高频噪声，但在某些情况下，也会产生低频噪声。例如，当电源的负载变化较大时，开关电源的控制电路可能会产生低频振荡，从而导致低频噪声。这种低频噪声可能会影响对低频信号敏感的电路，如音频电路。
- 线性电源的噪声频率主要集中在低频段，与市电频率及其倍频有关。例如，对于采用50Hz市电的线性电源，其噪声频率主要为50Hz、100Hz（全波整流后的纹波频率）等。这些低频噪声相对容易通过传统的低频滤波电路来抑制，如使用大容量的电解电容和电感组成的滤波电路。
- 线性电源在正常情况下产生的高频噪声相对较少。但是，如果线性电源中的元件，如整流二极管的开关速度较快或者线性调整管受到高频干扰，也可能会产生高频噪声。不过，与开关电源相比，线性电源的高频噪声幅度通常较小。 ## 三、噪声幅度特性
- 开关电源的高频噪声幅度相对较大，这是由于其高频开关动作和复杂的电磁环境导致的。在开关管导通和关断瞬间，产生的电压尖峰和电流突变会导致较大幅度的高频噪声。例如，在一些没有良好电磁屏蔽和滤波措施的开关电源中，高频噪声幅度可能达到几十mV甚至更高。
- 开关电源的低频噪声幅度通常比高频噪声幅度小，但在某些特殊情况下，如负载不稳定或者控制电路异常时，低频噪声幅度可能会增大。不过，总体而言，开关电源的低频噪声幅度相对较小，一般在几mV以下。
- 线性电源的低频噪声幅度相对较大，主要是因为整流过程和线性调整管的工作特性导致的。例如，整流二极管的非线性特性产生的谐波成分会使低频噪声幅度达到几mV到几十mV。在负载变化时，线性调整管产生的噪声也会使低频噪声幅度有所增加。
- 线性电源的高频噪声幅度相对较小，通常在1mV以下。这是因为线性电源的工作原理决定了其产生高频噪声的机制相对较弱，而且线性电源的电路结构相对简单，没有像开关电源那样的高频开关动作和复杂的电磁环境。 ## 四、噪声抑制措施
- 对于开关电源，电磁屏蔽是一种重要的噪声抑制措施。通过使用金属外壳将电源包裹起来，可以有效地阻挡内部产生的电磁噪声向外辐射，同时也能防止外部的电磁干扰进入电源内部。例如，在一些对电磁兼容性要求较高的电子设备中，开关电源的金属外壳需要良好的接地，以提高屏蔽效果。
- 优化滤波电路可以有效抑制开关电源的噪声。在电源的输入和输出端增加合适的滤波电容、电感和滤波器，可以滤除不同频率的噪声。例如，在输入侧采用共模电感和X电容、Y电容组成的滤波电路，可以滤除共模和差模噪声；在输出侧采用LC滤波电路，可以降低高频纹波和噪声。
- 采用软开关技术可以减少开关电源在开关过程中产生的噪声。软开关技术通过在开关管导通和关断时，使电压和电流的变化更加平滑，从而降低了开关噪声。例如，采用零电压开关（ZVS）或零电流开关（ZCS）技术，可以有效地减少开关过程中的电压尖峰和电流突变，降低噪声产生。
- 优化线性电源的整流电路可以减少噪声产生。例如，采用肖特基二极管等快速恢复二极管，可以减少整流过程中的反向恢复时间，从而降低二极管开关时产生的噪声。同时，合理选择整流二极管的参数，如耐压和电流容量，也可以减少噪声。
- 升级滤波电容可以提高线性电源的噪声抑制能力。使用大容量、低等效串联电阻（ESR）的滤波电容，可以更有效地滤除低频噪声。例如，在电源输出端并联多个不同类型的电容，如电解电容和陶瓷电容，可以综合利用它们的特性，提高滤波效果，降低噪声幅度。
- 优化线性调整管可以减少其产生的噪声。选择低噪声系数的线性调整管，并且合理设计其偏置电路，可以降低热噪声和散粒噪声。例如，通过调整线性调整管的工作点，使其在低噪声区域工作，可以有效减少噪声输出。 ## 五、总结 开关电源和线性电源在噪声特性方面存在明显差异。开关电源主要产生高频噪声，幅度相对较大，其噪声抑制需要综合运用电磁屏蔽、滤波电路优化和软开关技术等；线性电源以低频噪声为主，幅度也有一定大小，噪声抑制主要通过整流电路优化、滤波电容升级和线性调整管优化等措施。在实际应用中，需要根据具体的电路环境和对噪声的敏感程度来选择合适的电源类型。
