一、引言：敏感器件为何“怕”噪声？

在现代电子系统中，诸如高精度ADC/DAC、射频收发模块、传感器阵列、量子器件、医疗检测芯片等敏感器件，对电源噪声的容忍度极低。哪怕是微伏级的纹波噪声或电源瞬变，也可能引起性能劣化、误触发、数据漂移甚至系统崩溃。

传统电源设计已难以满足日益增长的“超低噪声”需求。因此，本文将深入探讨一种为敏感器件打造超低噪声电源的新策略，帮助设计人员在实际项目中规避噪声干扰，提升系统可靠性与性能。

二、电源噪声的来源与分类

在制定低噪声设计策略前，我们需理解电源噪声的来源和表现形式：

1. 开关噪声（Switching Noise）

• 主要源自DC-DC转换器内部的高速开关管；

• 包括开关频率谐波、开关节点振铃、EMI电磁干扰等；

• 对模拟电路尤其致命，如射频信号、音频信号等。

2. 纹波电压（Ripple）

• 多数来源于电容/电感不足造成的输出滤波不彻底；

• 会在供电输出端叠加周期性交流分量。

3. 地弹与共模噪声（Ground Bounce & Common Mode）

• 源于地线阻抗或多电源共享接地；

• 在高速转换时尤为明显，可能通过PCB回路耦合到信号路径。

4. 外部耦合噪声（Conducted & Radiated）

• 来自系统内其他干扰源，如马达、无线模块、USB接口等；

• 通过导线、电磁辐射耦合到电源轨。

三、传统降噪方法的局限性

在面对上述噪声源时，设计人员通常采用如下方法：

• 使用低噪声LDO线性稳压器；

• 加大输出电容以降低纹波；

• 加入π型滤波器或LC滤波器；

• 采用屏蔽布线、分区供电等PCB优化。

虽然上述方法在大多数情况下有效，但在对噪声要求达到微伏甚至纳伏级别的高端应用中，往往难以满足。尤其是当系统中包含多个高噪声源（如DC-DC、电机、射频功率放大器等）时，单纯的滤波与屏蔽难以奏效。

四、新策略：打造“全生命周期”超低噪声供电方案

为了突破传统方法的局限，本文提出一套新策略，从系统架构到器件选型再到PCB实现，构建全链路低噪声设计：

1. 系统级架构：分区供电，远离干扰源

• 将敏感负载与高噪声负载采用独立电源通道供电；

• 可使用隔离型DC-DC模块将高频噪声局限在本区域；

• 地线分割，使用“星形接地”避免地环流干扰。

2. 电源结构：DC-DC + LDO混合架构

• 高效率DC-DC负责初级降压（如12V转5V）；

• 关键模拟器件使用LDO二级稳压（如5V转3.3V）；

• 选用低噪声、PSRR高的LDO，如TI TPS7A94、ADI LT3042。

✅ 实测数据显示：LDO输出噪声 <5μVrms，可显著降低ADC误码率。

3. 选型策略：使用“低噪声专用器件”

4. PCB设计要点：物理隔离与地规划

• 敏感电源路径优先布线，避免穿越高频信号；

• 地平面完整，模拟地与数字地分开后在一点接地；

• 采用GND护线、金属屏蔽层等强化物理隔离。

5. 动态抑制：加入主动噪声抵消技术（ANC）

• 在一些极端低噪场合，如量子测控、医疗成像等；

• 可使用主动噪声抑制电路（如反相滤波器、差动采样补偿）；

• 虽然成本增加，但噪声控制可达nV级别。

五、案例分享：高精度ADC的超低噪声供电设计

应用背景：

一款24位Σ-Δ ADC（如AD7177-2），用于工业称重系统，对电源噪声极为敏感。

设计思路：

• 主电源输入：12V；

• 一级电源：DC-DC模块降压至5V（隔离型，如TracoPower）；

• 二级电源：TI TPS7A49 LDO降至3.3V供ADC；

• 输出加入π型滤波器 + 贴片磁珠；

• 整个ADC与其他数字模块分区布局，模拟地独立。

实测效果：

• 电源纹波噪声< 4μVrms；

• ADC噪声低于0.25LSB；

• 系统零漂减小约70%。

六、未来发展趋势与建议

随着对信号完整性与电源质量要求的不断提高，超低噪声电源将逐渐成为核心竞争力之一。未来发展方向包括：

• 更高PSRR、更低噪声的新型LDO（如CMOS LDO）；

• 可编程LDO与数字电源控制芯片融合；

• 集成滤波、降噪、监控的一体化PMIC；

• AI驱动电源监测与自适应噪声调节。

设计建议：

1. 从系统结构层面进行隔离，优于局部补救；

2. 选型时优先考虑器件的噪声密度指标（nV/√Hz）；

3. 噪声评估需实测结合仿真，避免纸上谈兵；

4. 切勿忽视地线规划和滤波器件的ESR特性。

七、结语

电源噪声虽不可见，却对敏感电子系统具有致命影响。打造一个真正超低噪声的电源系统，必须从架构、器件、PCB、动态控制等多个层级综合考量。本文提出的新策略，融合了多种工程实践经验与新型技术方案，可为研发人员在应对高精度、低噪系统设计中提供有力支持。

只有把“干净的电源”当作设计的第一要务，才能真正释放敏感器件的全部性能。