开关电源噪声的产生与抑制

2012-05-12代乐荣

山西电子技术 2012年4期

代乐荣

(四川机电职业技术学院，四川攀枝花617000)

开关电源与线性电源相比拥有许多优势，如体积小、重量轻、高效率等;但是随之带来的是电磁干扰［1］。由于开关电源本身的特殊结构，其固有的谐波整流，开关频率及其谐波，在高功率开关器件中，不可避免的被高速电流和电压跳变而产生的电磁干扰，干扰是不可避免的，而我们要做的就是如何降低干扰的程度［1］。

1 噪声产生

1.1 噪声的分类

噪音的产生一般可以分为内部因素和外部因素，内部因素是开关电源内部元件，形成干扰。外部的干扰涉及到人为因素和自然因素［1］。噪声根据来源的不同可分为:输出脉动噪声，辐射电场所产生的噪声，外来突变电压引起的噪声和雷电冲击电压引起的噪声等。

1.2 噪声产生源

(1)开关管

开关电源中的矩形波的形成主要由于分布电容存在于开关管的外壳与系统内部电源线之间，当过大的脉冲电流流过开关管的时候而产生的;由于开关电源的器件的相关参数原因如功率管的储电时间tc短，输出端的直流电流Im较大，开关电源的整流二极管的反向恢复时间th较短，因而导致会在系统中造成瞬间短路的现象，由于幅值较大因而会在流经变压器和系统中电感时形成干扰的电磁场。

(2)二极管的恢复特性

若用PN型二极管作高频的整流时候，由于正向电流堆积在寄生电容上的方向电压因为有载流子的存在不能马上被消除，而在系统中形成反向电流，过大的斜率使其在电源中形成尖峰电压。

(3)变压器

变压器运用于开关电源主要是用于隔离和变压。在高频率工作状态下，它并不是完全隔离，电源上的高频噪声由于变压器的层间分布电容的存在使其很容易在初、次级之间传递。

1.3 电容、电感器和导线

低频的开关电源器件特性会在高频的工作状态下发生改变，从而导致噪声的产生。

2 消除噪声的主要方法

电力系统中的电流和电压会因为开关电源中的电磁干扰而剧烈的变化，需要尽量减少电压和电流在电路中的变化率(du/dt，di/dt)，使用吸收电路是一个很好的抑制电磁干扰的方法。对于开关吸收电路的基本原则是切断旁路，吸收积累的能量(寄生于分布参数)，从而减少干扰的产生。常用的吸收电路有RC，RCD，LC无源吸收网络和有源吸收网络。

增加滤波器是一种很好的抑制传导干扰的方法。具体措施如下:

(1)如图在DC输入端加装电源滤波器来降低干扰。其中LD、CD用于抑制差模噪声，一般 LD取100～700 μH，CD取1 ～10 μF，对10～150 kHz比较有效。LC、CC用于抑制共模噪声，一般 LC取1～3 μH，CC取2 000 ～6 800 pF，对抑制150 kHz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。

图1 电源滤波器的电路形式

电源滤波器可以看作一个二端口网络

图2 滤波器等效二端口网络

根据插入损耗的定义，插入损耗应为加入滤波器前负载上的电压U20与加入滤波器后负载上的电压U2之比，即

可以求出:

所以有:

插入损耗:

其中A为滤波电路的二端网络的转移矩阵。

图3、图4中所展示的是该电源滤波器的使用效果。图3为一开关电源未使用电源滤波器时电源端0.15 MHz～30 MHz传导骚扰电压的波形;图4是插入滤波器后的波形，可见其滤波效果是明显的。

图3 使用滤波器前的电源端骚扰电压

图4 使用滤波器后的电源端骚扰电压

在电源的交流输入端加装滤波器的时候应当注意:

除了制造商特别声明不需要接地以外，在电源端加装滤波器的时候都应该使滤波器接地，因为要使共模滤波器的旁路电容正常工作必须接地。正常情况下除了要将金属外壳与滤波器相接外，还需要使用粗导线连接过滤器的外壳和设备的接地点。为了达到较好的滤波效果，要使接地电阻尽可能的低。

安装时不能使滤波器距离电源端口太近，否则会将输入端的干扰信号耦合进入电压变换阶段对输出造成干扰。必要时，使用单独的屏蔽分区。

(2)将共模噪声滤波器安装在电源输出端。在输出线上加装磁环，形成共轭电抗器，再加上安装了一个高频率的电容，它可以有效地抑制共模噪声。增加输出滤波电感和滤波电容的大小，可以抑制差模噪声，并联电容器的数量越多越好。

(3)选择具备反向恢复特性的整流二极管，并选择多个二极管的并联结构来组成输出整流管，电源开关速度适当降低，以减少高频变压器的漏感，以确保它的不饱和特性以达到抑制噪声的目的。

(4)在高频变压器的原副边之间、开关管的集电极和基极之间、输出二极管的端子上，并联RC吸收电路可以有效地抑制尖峰电压和电流。

(5)由于在开关管以及输出整流二极管间加装了散热板，而导致在晶体管集电极以及二极管的负极和散热板间存在较大的寄生电容C;由于存在上百伏的电压脉冲，容易导致产生共模噪声;散热片与开关管的集电极之间的分布电容C应当尽可能的小，可以采用较厚的且介电系数较低的绝缘垫;若效果不佳还可以再将薄铜板插入绝缘垫之间以达到静电屏蔽的作用。

(6)线路滤波器电源如果受到外界的干扰如雷电冲击、人为噪声干扰时的误动作将对系统产生很大的干扰，如果在交流的输入端接滤波器的话可以有效地减少这种干扰的产生，以及发生在开关电源内部的噪声不从输入端泄漏出去。电路中 Cx电容一般取0.1 ～0.47μF，Cy电容取1 000 ～4 700 pF，共模扼流圈的电感可选择2 mH左右。

(7)变压器的屏蔽在电力传输的线路上，变压器的接线必须严格按照一般的线路规定，除此之外，也要求漏磁小，线圈间的寄生电容C要尽量小;要做到这一点，可以减少空隙的间距，适当的选择衬垫在线圈间设置静电屏蔽。在变压器的外围卷铜箔带，可以有效地实现电磁场的屏蔽，防止变压器的漏磁。

(8)接地措施，对电源进行接地处理的目的是为了安全考虑，而对电源接地处理以后还能有效地处理电磁兼容问题。降低电磁的干扰一个良好的接地系统起着至关重要的作用。电源的接地是将电源的金属外壳和大地连接在一起，这主要是处于安全的接地，因而被称为安全地。