開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生原因及抑制方法

1、開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生原因及抑制方法 (12012-03-17 19:36:38 作者:賴有傳 戴永軍 來源 :電源在線網(wǎng)關(guān)鍵字:開關(guān)電源、電磁干擾、噪聲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(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。通過對開關(guān)電源進(jìn)行電磁兼容性測試得知,一般有以下四項(xiàng)指標(biāo)不合格。 CE01100Hz 15KHz

2、電源線傳導(dǎo)發(fā)射。CE0315KHz 50MHz 電源線傳導(dǎo)發(fā)射。RE0125Hz 50KHz 磁場輻射發(fā)射。RE0214KHz 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?；虿钅７?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

3、理圖交流電輸入開關(guān)電源后,由橋式整流器 V1V4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

4、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)〞r PN 結(jié) 內(nèi)的電荷積累, 二極管加反向電壓時積累

5、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

6、 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

7、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?yàn)殚_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

8、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(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

9、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(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 100700H , CD 取 110F , 對 10150KHz比

10、較有效。 LC 、 CC 用于抑制共模噪聲, 一般 LC 取 13H , CC 取 20006800pF, 對抑制 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。 (本文轉(zhuǎn)自電子工程世界:開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生原因及抑制方法 (22012-03-17 19:36:38 作者:賴有傳 戴永軍 來源 :電源在線網(wǎng)關(guān)鍵字:開關(guān)電源、電磁干擾、噪聲另外,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?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,

11、 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,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

12、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 3RC 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

13、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, 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