開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生原因及抑制方法
1 引言
開關(guān)電源具有線性電源無可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)： 體積小，重量輕，效率高等等，但開關(guān)電源會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，尤其是中大功率等級(jí)的開關(guān)電源干擾更為嚴(yán)重。這是由于開關(guān)電源存在著整流諧波、開關(guān)頻率和它的諧波以及在開關(guān)轉(zhuǎn)換中所固有的高速電流和電壓瞬變。產(chǎn)生電磁干擾是開關(guān)電源本身的特點(diǎn)所決定的，是難以避免的，關(guān)鍵是如何采取有效的措施來減小其干擾程度。
通過對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行電磁兼容性測(cè)試得知，一般有以下四項(xiàng)指標(biāo)不合格。
CE01 100Hz～15KHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射。
CE03 15KHz～50MHz電源線傳導(dǎo)發(fā)射。
RE01 25Hz～50KHz磁場(chǎng)輻射發(fā)射。
RE02 14KHz～10GHz電場(chǎng)輻射發(fā)射。
2 開關(guān)電源電磁干擾產(chǎn)生原因分析
開關(guān)電源按主電路型式可分為全橋式，半橋式，推挽式等幾種，但無論何種類型的開關(guān)電源在工作時(shí)都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲。它們通過電源線以共�；虿钅７绞较蛲鈧鲗�(dǎo)，同時(shí)還向周圍空間輻射。開關(guān)電源對(duì)由電網(wǎng)侵入的外部噪聲也很敏感，并經(jīng)它傳遞到其他電子設(shè)備中產(chǎn)生干擾。圖1是一種最簡(jiǎn)單的開關(guān)電源主電路型式，直流變換式它激單邊型開關(guān)電源，以此為例分析開關(guān)電源的噪聲來源。
圖1 直流變換式它激單邊型開關(guān)電源主電路電原理圖
交流電輸入開關(guān)電源后，由橋式整流器V1～V4整理成直流電壓Vi加在高頻變壓器的初級(jí)L1和開關(guān)管V5上。開關(guān)管V5的基極輸入一個(gè)幾十到幾百千赫的高頻矩形波，其重復(fù)頻率和占空比由輸出直流電壓VO的要求來確定。被開關(guān)管放大了的脈沖電流由高頻變壓器耦合到次級(jí)回路。高頻變壓器初次級(jí)匝數(shù)之比也是由輸出直流電壓VO的要求來確定的。高頻脈沖電流經(jīng)二極管V6整流并經(jīng)C2濾波后變成直流輸出電壓VO。因此開關(guān)電源在以下幾個(gè)環(huán)節(jié)都將產(chǎn)生噪聲，形成電磁干擾。
�。�1）高頻變壓器初級(jí)L1、開關(guān)管V5和濾波電容C1構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路，可能
會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射。如果電容器濾波不足，則高頻電流還會(huì)以差模方式傳導(dǎo)到輸入交流電源中去。如圖1中的I1 。
�。�2）高頻變壓器次級(jí)L2、整流二極管V6、濾波電容C2也構(gòu)成高頻開關(guān)電流環(huán)路會(huì)
產(chǎn)生空間輻射。如果電容器濾波不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導(dǎo)。如圖1中的I2 。
�。�3）高頻變壓器的初級(jí)和次級(jí)間存在分布電容Cd，初級(jí)的高頻電壓通過這些分布電
容將直接耦合到次級(jí)上去，在次級(jí)的二條輸出直流電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。如果二根線對(duì)地阻抗不平衡，還會(huì)轉(zhuǎn)變成差模噪聲。
�。�4）輸出整流二極管V6會(huì)產(chǎn)生反向浪涌電流。二極管在正向?qū)〞r(shí)PN結(jié)內(nèi)的電荷
積累，二極管加反向電壓時(shí)積累電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。因?yàn)殚_關(guān)電流需經(jīng)二極管整流，二極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r(shí)間很短，在短時(shí)間內(nèi)要讓存儲(chǔ)電荷消失就產(chǎn)生了反向電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電感，分布電容，浪涌引起了高頻衰減振蕩，這是一種差模噪聲。
（5）開關(guān)管V5的負(fù)載是高頻變壓器的初級(jí)線圈L1，是感性負(fù)載，所以開關(guān)通斷時(shí)管子兩端會(huì)出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓，這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端去。
�。�6）開關(guān)管V5的集電極與散熱片K之間存在分布電容CI，因此高頻開關(guān)電流會(huì)通過CI流到散熱片K上，再流到機(jī)殼地，最終流到與機(jī)殼地相連接的交流電源線的保護(hù)地線PE中，從而產(chǎn)生共模輻射。電源線L和N對(duì)PE存在一定阻抗，如阻抗不平衡則共模噪聲還會(huì)轉(zhuǎn)變成差模噪聲。如圖1中的I3 。
由以上分析可以知道開關(guān)電源中的噪聲干擾源很多,干擾途徑是多種多樣的,影響較大的噪聲干擾源可以歸納為以下三種:
�。�1）二極管的反向恢復(fù)時(shí)間引起的干擾。
�。�2）開關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾
功率開關(guān)管在導(dǎo)通時(shí)流過較大的脈沖電流，在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，也會(huì)產(chǎn)生尖峰干擾。
�。�3）交流輸入回路產(chǎn)生的干擾
開關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復(fù)期間也會(huì)引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。一般整流電路后面總要接比較大的濾波電容，因而整流管的導(dǎo)通角較小，會(huì)引起很大的充電電流，使交流輸入側(cè)的交流電流發(fā)生畸變，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。另外，濾波電容的等效串聯(lián)電感對(duì)產(chǎn)生干擾也有較大的影響。
所有這些干擾按傳播途徑可以分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩類。開關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量通過開關(guān)電源輸入輸出線傳播出去形成的干擾稱為傳導(dǎo)干擾。諧波和寄生振蕩的能量，通過輸入輸出線傳播時(shí)，在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這些通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
正因?yàn)?a href="http://www.mdjyxy.cn" target=_blank>開關(guān)電源本身就是一個(gè)強(qiáng)干擾源、所以除了電路上采取措施抑制其電磁干擾產(chǎn)生外，還應(yīng)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行有效的電磁屏蔽，濾波以及接地。
3 開關(guān)電源噪聲的抑制方法
形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設(shè)備，因而，抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三個(gè)方面著手。首先應(yīng)該抑制干擾源，直接消除干擾原因；其次是消除干擾源和受擾設(shè)備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑；第三是提高受擾設(shè)備的抗擾能力，降低其對(duì)噪聲的敏感度。第三點(diǎn)不是本文討論的范圍。
采用功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)和軟開關(guān)功率變換技術(shù)能大大降低噪聲幅度。
（1）電路上的措施
開關(guān)電源產(chǎn)生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因此需要盡可能地降低電路中的電壓和電流的變化率（du/dt、di/dt）。采用吸收電路也是抑制電磁干擾的好辦法。吸收電路的基本原理就是開關(guān)斷開時(shí)為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD、LC無源吸收網(wǎng)絡(luò)和有源吸收網(wǎng)絡(luò)。
濾波是抑制傳導(dǎo)干擾的一種很好的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器可以抑制開關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對(duì)電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專用的濾波元件，如穿心電容器，三端電容器，鐵氧體磁環(huán)，他們能夠改善電路的濾波特性。恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)或選擇濾波器，并正確地安裝濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。
具體措施如下：
a． 在交流電輸入端加裝電源濾波器,濾波器的電路型式如圖2。其中LD、CD用于抑制差模噪聲，一般LD 取100~700μH，CD取1~10μF，對(duì)10~150KHz比較有效。LC、CC用于抑制共模噪聲，一般LC取1~3μH，CC取2000~6800pF，對(duì)抑制150KHz。以上的共模噪聲有效。上述器件的參數(shù)要在實(shí)踐中加以調(diào)整。
另外，電源濾波器安裝時(shí)應(yīng)注意：
電源濾波器安裝時(shí)必須接地。除了廠家特別說明允許不接地的濾波器在使用時(shí)可以不接地外，所有電源濾波器都必須接地，因?yàn)闉V波器的共模旁路電容必須接地才能起作用。一般的接地方法是除將濾波器與金屬機(jī)殼相接外，還要用較粗的導(dǎo)線將濾波器外殼與設(shè)備的接地點(diǎn)相連。接地阻抗越低，濾波效果越好。
盡量靠近電源入口處安裝。安裝時(shí)，濾波器的輸入/輸出端盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號(hào)從輸入端直接耦合到輸出端。必要時(shí)，使用屏蔽隔板將其隔開。
b. 在電源的輸出端加裝共模噪聲濾波器。在輸出線上套上鐵氧體磁環(huán)，做成共軛扼流圈，再加裝高頻電容，這樣可以抑制部分共模噪聲。加大輸出濾波電感的電感量及濾波電容的電容量，可以抑制差模噪聲，多個(gè)電容并聯(lián)效果更好。
c. 輸出整流二極管采用多個(gè)二極管并聯(lián)來分擔(dān)負(fù)載電流、選擇具有反向恢復(fù)電流呈軟特性的整流二極管、適當(dāng)降低開關(guān)管的開通速率、減小高頻變壓器的漏感并確保它不飽和等都是抑制噪聲的有效手段。
d. 在高頻變壓器的原邊、副邊、開關(guān)管的CE極之間，以及輸出整流二極管上加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)。抑制電壓尖峰和電流浪涌。在輸出整流二極管支路中串接可飽和非晶磁環(huán)，以此來抑制二極管的反向浪涌電流，效果較好。如圖3所示。
圖3 RC吸收網(wǎng)絡(luò)及磁環(huán)的使用舉例
e. 排印制板時(shí)，盡量減少高頻環(huán)路的面積，縮短高頻信號(hào)線。在整機(jī)布線時(shí)還應(yīng)注意：
不要把開關(guān)電源的輸入交流電源線和輸出直流電源線靠在一起，更不能捆扎在一起，同時(shí)盡可能遠(yuǎn)離噪聲源。
輸出直流電源線最好用雙絞線，至少應(yīng)緊靠在一起走線。
電源的輸入輸出電源線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離控制、驅(qū)動(dòng)電路中的信號(hào)線。
f. 盡量減小開關(guān)管集電極與散熱片之間的分布電容CI�？梢赃x用低介電常數(shù)的絕緣墊，并適當(dāng)加厚墊片的厚度。必要時(shí)，在絕緣墊之間插入薄銅板作為靜電屏蔽用。
g. 接地
電源接地的一個(gè)目的是為了安全，另一個(gè)目的是考慮電磁兼容問題。一個(gè)良好的接地系統(tǒng)對(duì)減小電磁干擾能起很大的作用。
出于安全考慮的接地，一般稱為安全地，是將電源金屬外殼與大地相連�？紤]電磁兼容問題時(shí)，先要了解信號(hào)地、地環(huán)路干擾的概念。
信號(hào)地：信號(hào)電流流回信號(hào)源的低阻抗路徑。地環(huán)路干擾：當(dāng)?shù)鼐�上有一個(gè)較大的電流流過時(shí)，由于地線的阻抗不為零，會(huì)產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓會(huì)在兩個(gè)電路的連接電纜上產(chǎn)生電流。由于電路的不平衡性，每根導(dǎo)線上的電流不同，因此會(huì)產(chǎn)生差模電壓，對(duì)電路造成干擾。這種干擾由于是在地線環(huán)路中產(chǎn)生電流引起的，因此稱為地環(huán)路干擾。
解決好接地問題的方法主要有：
1）盡量減少導(dǎo)線電感引起的高頻阻抗。
2）增加地環(huán)路的阻抗、使用初次級(jí)之間屏蔽的隔離變壓器或光電耦合器傳輸信號(hào)，以減小地環(huán)路干擾。
3）兩個(gè)單元電路最好不要共用一個(gè)電源供電及同一段地線。
放大器屏蔽殼、變壓器屏蔽層的良好接地等。
（2）結(jié)構(gòu)上的措施：屏蔽
屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一，目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題的最大好處是不會(huì)影響電路的正常工作。
屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。
對(duì)開關(guān)電源來說，主要是要做好機(jī)殼的屏蔽、高頻變壓器的屏蔽、開關(guān)管和整流二極管的屏蔽以及控制、驅(qū)動(dòng)電路的屏蔽等，并要通過各種方法提高屏蔽效能。
| 【上一個(gè)】 開關(guān)電源紋波的抑制 | 【下一個(gè)】 下列幾種情況應(yīng)考慮電源本身工作不正常? |
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