如何实现更低噪声的电源：从原理到定量计算#

在精密模拟系统中，电源噪声直接影响信号链的精度。本文从物理原理出发，系统讲解低噪声电源的设计方法，不涉及具体芯片型号，而是聚焦于可复用的计算逻辑与架构思想。最后用一组统一条件，定量对比高频与低频两种 DC-DC-LDO 方案的电感电容取值和最终纹波。

一、电源噪声从哪里来？#

电源噪声并非单一来源，它可以分为两类，特性截然不同。

第一类：开关纹波。
它来自 DC-DC 转换器的开关动作。电感电流的脉动在输出电容上产生周期性电压波动，频率等于开关频率及其谐波。对于降压转换器，输出纹波近似为：

其中为占空比。举例：，，，，：

这是毫伏级的确定性噪声。

第二类：固有噪声。
它来自 LDO 内部的基准电压源、误差放大器和电阻，是载流子运动产生的随机宽带噪声。它无法被输入滤波器滤除，因为它是 LDO 自己产生的。固有噪声通常用噪声密度（）或积分噪声（）表示。

低噪声设计必须同时对付这两类噪声：外部传入的开关纹波，和内部产生的固有噪声。

二、LDO 的过滤能力：PSRR 及其频率特性#

LDO 对输入纹波的抑制能力用电源抑制比（PSRR）衡量：

已知 PSRR 和输入纹波，输出纹波为：

关键事实：PSRR 不是常数，它随频率升高而急剧下降。

原因在于 LDO 内部是一个负反馈环路。低频时环路增益高，PSRR 好；高频时，寄生电容和带宽限制使环路增益下降，PSRR 恶化。当频率超过 LDO 的环路带宽（通常几百到），PSRR 以约 $十倍频$ 的斜率下降。这意味着：开关频率每提高 10 倍，LDO 的 PSRR 就恶化约 20dB。

典型 LDO 的 PSRR 随频率变化如下：

频率	PSRR	对 5mV 纹波的抑制效果

可以看到，在低频段 PSRR 是“神器”，在高频段却成了“纸老虎”。如果 DC-DC 开关频率为，仅靠 LDO 抑制，输出纹波可能达到，对 16 位 ADC（1 个 LSB 约）已构成威胁。

设计 Tip：为什么不能简单选择低开关频率的 DC-DC？#

既然 LDO 对低频抑制更好，一个自然的想法是：为什么不选开关频率更低的 DC-DC，让 LDO 发挥最大作用？

这个想法在理论上成立，但在工程现实中几乎走不通。原因有四：

物理定律：低频意味着大尺寸。
开关频率越低，所需电感和电容越大。从降到，电感值要增大 10 倍以上，体积可能从变成甚至更大，完全违背现代电子设备小型化的趋势。
音频频段禁区。
开关频率若低于，容易落入的可听范围。电感的磁致伸缩和电容的压电效应会产生人耳可听的啸叫，音频设备绝对无法接受。因此，通常是开关频率的隐形下限。
瞬态响应变慢。
低频 DC-DC 的控制环路带宽低，负载突变时响应慢，输出电压跌落大。对于精密模拟负载，这种瞬态跌落可能直接导致 ADC 采样错误或运放输出失真。
市场现实：DC-DC 厂商为数字电路服务。
绝大多数 DC-DC 的客户是 MCU、FPGA 等数字负载，它们对纹波的要求在级别，产生的几毫伏纹波完全不是问题。精密模拟是边缘市场，量太小，不值得为它专门设计低频芯片。厂商的优化方向始终是更高频率、更小封装、更低成本。

因此，低频 DC-DC 并非不存在，而是存在于特定领域：工业老型号（如 LM2596，）、汽车级（，为通过 EMI 标准）。它们的共同代价是体积大、价格高、外围元件多。

正确的解法不是去寻找低频 DC-DC，而是接受高频 DC-DC，用 LC 滤波器来弥补 LDO 在高频段 PSRR 的不足。这正是下一节的内容。

三、LC 滤波器：高频噪声的第一道防线#

当 LDO 在高频段力不从心时，需要在 DC-DC 和 LDO 之间插入 LC 低通滤波器。理想 LC 滤波器的传递函数为：

截止频率：

在频率时，衰减量近似为：

设计示例：目标是在处提供额外衰减。

选择，求：

实际取留裕量，则：

一个的 LC 滤波器，在处可提供约衰减，远超 LDO 在该频率的 PSRR。

实际注意：真实 LC 滤波器存在寄生电阻和电容的等效串联电阻（ESR），会在截止频率附近产生谐振峰。通常需要并联阻尼电容或串联小电阻来抑制振铃。设计时应确保截止频率远低于开关频率，并留有足够裕量。

四、级联系统的总噪声计算#

系统架构：DC-DC → LC → LDO → 负载。噪声源有三个：DC-DC 开关纹波、LDO 固有噪声、外部耦合噪声。它们按 RMS 合成。

定量示例：

已知：

DC-DC 输出纹波：（@ ）
LC 滤波器：，，，在衰减
LDO 在的 PSRR：
LDO 固有噪声：（）

第一步：LC 滤波器后的纹波

第二步：LDO 后的残余纹波

第三步：总输出噪声

LDO 固有噪声远大于的残余纹波，因此总噪声主要由 LDO 固有噪声决定：

对比：如果没有 LC 滤波器

方案	总输出噪声
仅 LDO
LC + LDO

LC 滤波器将总噪声降低了约 7 倍。当 LC 滤波后纹波远低于 LDO 固有噪声时，LDO 自身的噪声成为瓶颈，此时再加强滤波也无济于事，必须换更低噪声的 LDO。

五、LDO 固有噪声的定量分析#

LDO 噪声密度（）与积分噪声的关系为：

对于的噪声带宽：

噪声密度	积分噪声（）

选 LDO 时，直接看积分噪声指标比看噪声密度更直观。已是优秀水平，以下属于顶级。

六、高频 vs 低频 DC-DC-LDO 方案定量对比#

前面的原理已经说明：开关频率越高，LDO 的 PSRR 越差，但 DC-DC 所需电感电容越小。为了直观展示这种取舍，下面用一组统一条件，分别计算**高频方案（）和低频方案（）**的电感、电容取值，以及仅 DC-DC-LDO 和增加 LC 后的最终纹波。

6.1 统一计算条件#

参数	数值
DC-DC 输入
DC-DC 输出	（为 LDO 留压差）
LDO 输出
负载电流	（小电流，理论计算按 CCM）
DC-DC 输出纹波目标
LDO 固有噪声	（典型低噪声 LDO）
LDO PSRR @
LDO PSRR @

DC-DC 输出纹波公式：

其中：

6.2 方案 A：高频开关（）#

DC-DC 主电感与电容

要求：

取，则：

代入计算：

高频 DC-DC 参数：，，输出纹波约。

仅 DC-DC-LDO 架构

LDO 在处 PSRR ，抑制倍数：

LDO 输出残余开关纹波：

总输出噪声（含 LDO 固有噪声）：

高频仅 DC-DC-LDO：残余纹波，总噪声约。

增加 LC 滤波器后

若在 DC-DC 与 LDO 之间加 LC：

目标截止频率：
取，

截止频率：

在处衰减：

LC 后纹波：

再经 LDO：

总噪声：

高频加 LC 后：残余纹波，总噪声约。

6.3 方案 B：低频开关（）#

DC-DC 主电感与电容

同样要求：

取，则：

低频 DC-DC 参数：，，输出纹波约。

仅 DC-DC-LDO 架构

LDO 在处 PSRR ，抑制倍数：

LDO 输出残余开关纹波：

总输出噪声：

低频仅 DC-DC-LDO：残余纹波，总噪声约。

增加 LC 滤波器后

若加 LC：

目标截止频率：
取，

截止频率：

在处衰减：

LC 后纹波：

再经 LDO：

总噪声：

低频加 LC 后：残余纹波，总噪声约。

6.4 两种方案对比#

项目	高频方案（）	低频方案（）
DC-DC 主电感
DC-DC 输出电容
DC-DC 输出纹波
LDO PSRR
仅 DC-DC-LDO 残余纹波
仅 DC-DC-LDO 总噪声
是否必须加 LC	必须加	可不加
LC 参数（若加）
加 LC 后残余纹波
加 LC 后总噪声
体积趋势	电感电容小	电感电容大

6.5 对比结论#

高频方案（）
DC-DC 主电感和电容可以很小（），但 LDO 在高频段 PSRR 差，仅靠 DC-DC-LDO 输出纹波达，必须加 LC 滤波器。加 LC 后，最终残余纹波可压到，总噪声由 LDO 固有噪声决定。
低频方案（）
DC-DC 主电感和电容明显更大（），但 LDO 在处 PSRR 仍有，仅靠 DC-DC-LDO 输出纹波就只有，已经接近 LDO 固有噪声。可以不加 LC，设计更简单。
最终总噪声
两种方案加 LC 后，总噪声都被 LDO 固有噪声限制，最终都是约。区别在于：高频方案必须加小 LC，低频方案可以省 LC 但 DC-DC 主电感电容大。
选择依据
- 追求体积小：选高频 DC-DC，但必须配 LC 滤波器。
- 追求设计简单：选低频 DC-DC，LDO 自身 PSRR 足够，可省 LC。
- 两者最终噪声性能相当，差别主要在无源器件体积和滤波复杂度。

七、PCB 布局的噪声耦合#

布局是“隐形”的噪声源。再好的计算，布局失误也会前功尽弃。

规则	原因	定量影响
开关节点远离模拟区域	高节点是主要辐射源	距离加倍，耦合降低约
输入输出电容紧靠引脚	减小寄生电感	走线每增加，寄生电感约
独立地回路	避免共地阻抗耦合	共地阻抗可产生级噪声
开关回路面积最小化	减小磁场辐射	回路面积减半，辐射降低约

设计时应预留足够的隔离距离和滤波空间，将 DC-DC 的开关节点和电感尽量远离 LDO 输出和负载。

八、设计流程总结#

三步法：

定目标：确定负载能容忍的最大噪声。例如 16 位 ADC 的 1 个 LSB 为，目标可取。
选架构：DC-DC + LC + LDO，逐级分配衰减任务。
算数值：按公式计算 LC 截止频率和 LDO PSRR，确保总噪声达标。

核对清单：

DC-DC 输出纹波是否已估算？
LDO 在实际开关频率处的 PSRR 是否已查曲线确认？
LC 滤波器截止频率是否远低于开关频率？
LC 滤波器在开关频率处是否提供足够衰减？
LDO 固有噪声是否低于目标噪声？
PCB 布局是否满足隔离和去耦要求？

架构图：

5V输入 → DC-DC（产生纹波） → LC（衰减高频） → LDO（衰减低频+自身低噪声） → 5V纯净输出
              ↓                    ↓                    ↓
         纹波源              高频补刀              低频压制

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九、核心结论#

LDO 对低频抑制好，高频靠 LC 滤波器。
开关频率越高，LDO 的 PSRR 越差，LC 滤波器越重要。
不能简单选择低开关频率的 DC-DC。
低频意味着大电感、大电容、音频噪声和慢瞬态响应，且主流 DC-DC 厂商不为精密模拟市场设计低频芯片。正确的做法是用 LC 滤波器弥补高频 LDO 的不足。
总噪声由最大噪声源决定。
如果 LC 滤波后纹波远低于 LDO 固有噪声，LDO 噪声就是瓶颈。
定量计算是设计的基础。
不计算，就不知道 LC 滤波器该用多大，LDO 该选多低噪声。
布局是最后的保障。
再好的计算，布局失误也会前功尽弃。

最终公式：

这个公式贯穿了低噪声电源设计的全部核心逻辑：纹波衰减靠 LC 和 PSRR，底噪靠 LDO 自身。理解它，就能在任何电源设计中做出正确的取舍。