开关电源噪声的产生原因及抑制方法

1 引言
  开关电源具有线性电源无可比拟的许多优点: 体积小,重量轻,效率高等等,但开关电源会产生电磁干扰,尤其是中大功率等级的开关电源干扰更为严重。这是由于开关电源存在着整流谐波、开关频率和它的谐波以及在开关转换中所固有的高速电流和电压瞬变。产生电磁干扰是开关电源本身的特点所决定的,是难以避免的,关键是如何采取有效的措施来减小其干扰程度。
  通过对开关电源进行电磁兼容性测试得知,一般有以下四项指标不合格。
  CE01 100Hz~15KHz电源线传导发射。
  CE03 15KHz~50MHz电源线传导发射。
  RE01 25Hz~50KHz磁场辐射发射。
  RE02 14KHz~10GHz电场辐射发射。
2 开关电源电磁干扰产生原因分析
  开关电源按主电路型式可分为全桥式,半桥式,推挽式等几种,但无论何种类型的开关电源在工作时都会产生很强的噪声。它们通过电源线以共模或差模方式向外传导,同时还向周围空间辐射。开关电源对由电网侵入的外部噪声也很敏感,并经它传递到其他电子设备中产生干扰。图1是一种最简单的开关电源主电路型式,直流变换式它激单边型开关电源,以此为例分析开关电源的噪声来源。
 
图1 直流变换式它激单边型开关电源主电路电原理图

  交流电输入开关电源后,由桥式整流器V1~V4整理成直流电压Vi加在高频变压器的初级L1和开关管V5上。开关管V5的基极输入一个几十到几百千赫的高频矩形波,其重复频率和占空比由输出直流电压VO的要求来确定。被开关管放大了的脉冲电流由高频变压器耦合到次级回路。高频变压器初次级匝数之比也是由输出直流电压VO的要求来确定的。高频脉冲电流经二极管V6整流并经C2滤波后变成直流输出电压VO。因此开关电源在以下几个环节都将产生噪声,形成电磁干扰。
  (1)高频变压器初级L1、开关管V5和滤波电容C1构成的高频开关电流环路,可能
会产生较大的空间辐射。如果电容器滤波不足,则高频电流还会以差模方式传导到输入交流电源中去。如图1中的I1 。
  (2)高频变压器次级L2、整流二极管V6、滤波电容C2也构成高频开关电流环路会
产生空间辐射。如果电容器滤波不足,则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上向外传导。如图1中的I2 。
  
  (3)高频变压器的初级和次级间存在分布电容Cd,初级的高频电压通过这些分布电
容将直接耦合到次级上去,在次级的二条输出直流电源线上产生同相位的共模噪声。如果二根线对地阻抗不平衡,还会转变成差模噪声。
  (4)输出整流二极管V6会产生反向浪涌电流。二极管在正向导通时PN结内的电荷
积累,二极管加反向电压时积累电荷将消失并产生反向电流。因为开关电流需经二极管整流,二极管由导通转变为截止的时间很短,在短时间内要让存储电荷消失就产生了反向电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电感,分布电容,浪涌引起了高频衰减振荡,这是一种差模噪声。
  (5)开关管V5的负载是高频变压器的初级线圈L1,是感性负载,所以开关通断时管子两端会出现较高的浪涌尖峰电压,这个噪声会传导到输入输出端去。
  (6)开关管V5的集电极与散热片K之间存在分布电容CI,因此高频开关电流会通过CI流到散热片K上,再流到机壳地,最终流到与机壳地相连接的交流电源线的保护地线PE中,从而产生共模辐射。电源线L和N对PE存在一定阻抗,如阻抗不平衡则共模噪声还会转变成差模噪声。如图1中的I3 。
  由以上分析可以知道开关电源中的噪声干扰源很多,干扰途径是多种多样的,影响较大的噪声干扰源可以归纳为以下三种:
  (1)二极管的反向恢复时间引起的干扰。
  (2)开关管工作时产生的谐波干扰
  
  功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流,在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。
  (3)交流输入回路产生的干扰
  
  开关电源输入端整流管在反向恢复期间也会引起高频衰减振荡产生干扰。一般整流电路后面总要接比较大的滤波电容,因而整流管的导通角较小,会引起很大的充电电流,使交流输入侧的交流电流发生畸变,影响了电网的供电质量。另外,滤波电容的等效串联电感对产生干扰也有较大的影响。
  所有这些干扰按传播途径可以分为传导干扰和辐射干扰两类。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量通过开关电源输入输出线传播出去形成的干扰称为传导干扰。谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,在空间产生电场和磁场,这些通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
  正因为开关电源本身就是一个强干扰源、所以除了电路上采取措施抑制其电磁干扰产生外,还应对开关电源进行有效的电磁屏蔽,滤波以及接地。
3 开关电源噪声的抑制方法
  形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备,因而,抑制电磁干扰也应该从这三个方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,降低其对噪声的敏感度。第三点不是本文讨论的范围。
  采用功率因数校正(PFC)技术和软开关功率变换技术能大大降低噪声幅度。
  (1)电路上的措施
  开关电源产生电磁干扰的主要原因是电压和电流的急剧变化,因此需要尽可能地降低电路中的电压和电流的变化率(du/dt、di/dt)。采用吸收电路也是抑制电磁干扰的好办法。吸收电路的基本原理就是开关断开时为开关提供旁路,吸收蓄积在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC、RCD、LC无源吸收网络和有源吸收网络。
  滤波是抑制传导干扰的一种很好的方法。例如,在电源输入端接上滤波器可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器,三端电容器,铁氧体磁环,他们能够改善电路的滤波特性。恰当的设计或选择滤波器,并正确地安装滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。
  具体措施如下:
  a. 在交流电输入端加装电源滤波器,滤波器的电路型式如图2。其中LD、CD用于抑制差模噪声,一般LD 取100~700μH,CD取1~10μF,对10~150KHz比较有效。LC、CC用于抑制共模噪声,一般LC取1~3μH,CC取2000~6800pF,对抑制150KHz。以上的共模噪声有效。上述器件的参数要在实践中加以调整。
 另外,电源滤波器安装时应注意:
  电源滤波器安装时必须接地。除了厂家特别说明允许不接地的滤波器在使用时可以不接地外,所有电源滤波器都必须接地,因为滤波器的共模旁路电容必须接地才能起作用。一般的接地方法是除将滤波器与金属机壳相接外,还要用较粗的导线将滤波器外壳与设备的接地点相连。接地阻抗越低,滤波效果越好。
尽量靠近电源入口处安装。安装时,滤波器的输入/输出端尽量远离,避免干扰信号从输入端直接耦合到输出端。必要时,使用屏蔽隔板将其隔开。
  b. 在电源的输出端加装共模噪声滤波器。在输出线上套上铁氧体磁环,做成共轭扼流圈,再加装高频电容,这样可以抑制部分共模噪声。加大输出滤波电感的电感量及滤波电容的电容量,可以抑制差模噪声,多个电容并联效果更好。
  c. 输出整流二极管采用多个二极管并联来分担负载电流、选择具有反向恢复电流呈软特性的整流二极管、适当降低开关管的开通速率、减小高频变压器的漏感并确保它不饱和等都是抑制噪声的有效手段。
  d. 在高频变压器的原边、副边、开关管的CE极之间,以及输出整流二极管上加装RC吸收网络。抑制电压尖峰和电流浪涌。在输出整流二极管支路中串接可饱和非晶磁环,以此来抑制二极管的反向浪涌电流,效果较好。如图3所示。

图3 RC吸收网络及磁环的使用举例
  
   e. 排印制板时,尽量减少高频环路的面积,缩短高频信号线。在整机布线时还应注意:
  不要把开关电源的输入交流电源线和输出直流电源线靠在一起,更不能捆扎在一起,同时尽可能远离噪声源。
  输出直流电源线最好用双绞线,至少应紧靠在一起走线。
  电源的输入输出电源线应尽可能远离控制、驱动电路中的信号线。
  f. 尽量减小开关管集电极与散热片之间的分布电容CI。可以选用低介电常数的绝缘垫,并适当加厚垫片的厚度。必要时,在绝缘垫之间插入薄铜板作为静电屏蔽用。
  g. 接地
  电源接地的一个目的是为了安全,另一个目的是考虑电磁兼容问题。一个良好的接地系统对减小电磁干扰能起很大的作用。
  出于安全考虑的接地,一般称为安全地,是将电源金属外壳与大地相连。考虑电磁兼容问题时,先要了解信号地、地环路干扰的概念。
  信号地:信号电流流回信号源的低阻抗路径。地环路干扰:当地线上有一个较大的电流流过时,由于地线的阻抗不为零,会产生电压降,这个电压会在两个电路的连接电缆上产生电流。由于电路的不平衡性,每根导线上的电流不同,因此会产生差模电压,对电路造成干扰。这种干扰由于是在地线环路中产生电流引起的,因此称为地环路干扰。
  解决好接地问题的方法主要有:
  1)尽量减少导线电感引起的高频阻抗。
  2)增加地环路的阻抗、使用初次级之间屏蔽的隔离变压器或光电耦合器传输信号,以减小地环路干扰。
  3)两个单元电路最好不要共用一个电源供电及同一段地线。
放大器屏蔽壳、变压器屏蔽层的良好接地等。
(2)结构上的措施:屏蔽
  屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一,目的是切断电磁波的传播途径。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作。
  屏蔽分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。
  对开关电源来说,主要是要做好机壳的屏蔽、高频变压器的屏蔽、开关管和整流二极管的屏蔽以及控制、驱动电路的屏蔽等,并要通过各种方法提高屏蔽效能。


【上一个】 开关电源纹波的抑制 【下一个】 下列几种情况应考虑电源本身工作不正常?


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