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： 體積小，重量輕，效率高等等，但開關(guān)電源會產(chǎn)生電磁干擾，尤其是中大功率等級的開關(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。
通過對開關(guān)電源進(jìn)行電磁兼容性測試得知，一般有以下四項指標(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磁場輻射發(fā)射。
RE02 14KHz～10GHz電場輻射發(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)電源在工作時都會產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲。它們通過電源線以共模或差模方式向外傳導(dǎo)，同時還向周圍空間輻射。開關(guān)電源對由電網(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L1和開關(guān)管V5上。開關(guān)管V5的基極輸入一個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回路。高頻變壓器初次級匝數(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
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）高頻變壓器的初級和次級間存在分布電容Cd，初級的高頻電壓通過這些分布電
容將直接耦合到次級上去，在次級的二條輸出直流電源線上產(chǎn)生同相位的共模噪聲。如果二根線對地阻抗不平衡，還會轉(zhuǎn)變成差模噪聲。
（4）輸出整流二極管V6會產(chǎn)生反向浪涌電流。二極管在正向?qū)〞rPN結(jié)內(nèi)的電荷
積累，二極管加反向電壓時積累電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。因為開關(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間很短，在短時間內(nèi)要讓存儲電荷消失就產(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線圈L1，是感性負(fù)載，所以開關(guān)通斷時管子兩端會出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓，這個噪聲會傳導(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PE存在一定阻抗，如阻抗不平衡則共模噪聲還會轉(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)時間引起的干擾。
（2）開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾
功率開關(guān)管在導(dǎo)通時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，在空間產(chǎn)生電場和磁場，這些通過電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱為輻射干擾。
正因為開關(guān)電源本身就是一個強(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，降低其對噪聲的敏感度。第三點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，對抑制150KHz。以上的共模噪聲有效。上述器件的參數(shù)要在實踐中加以調(diào)整。
另外，電源濾波器安裝時應(yīng)注意：
電源濾波器安裝時必須接地。除了廠家特別說明允許不接地的濾波器在使用時可以不接地外，所有電源濾波器都必須接地，因為濾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，濾波器的輸入/輸出端盡量遠(yuǎn)離，避免干擾信號從輸入端直接耦合到輸出端。必要時，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，多個電容并聯(lián)效果更好。
c. 輸出整流二極管采用多個二極管并聯(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，盡量減少高頻環(huán)路的面積，縮短高頻信號線。在整機(jī)布線時還應(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)動電路中的信號線。
f. 盡量減小開關(guān)管集電極與散熱片之間的分布電容CI。可以選用低介電常數(shù)的絕緣墊，并適當(dāng)加厚墊片的厚度。必要時，在絕緣墊之間插入薄銅板作為靜電屏蔽用。
g. 接地
電源接地的一個目的是為了安全，另一個目的是考慮電磁兼容問題。一個良好的接地系統(tǒng)對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。考慮電磁兼容問題時，先要了解信號地、地環(huán)路干擾的概念。
信號地：信號電流流回信號源的低阻抗路徑。地環(huán)路干擾：當(dāng)?shù)鼐�上有一個較大的電流流過時，由于地線的阻抗不為零，會產(chǎn)生電壓降，這個電壓會在兩個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，因此會產(chǎn)生差模電壓，對電路造成干擾。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、使用初次級之間屏蔽的隔離變壓器或光電耦合器傳輸信號，以減小地環(huán)路干擾。
3）兩個單元電路最好不要共用一個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)動電路的屏蔽等，并要通過各種方法提高屏蔽效能。
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