开关电源的电磁兼容性设计
开关电源的电磁兼容性设计
摘 要: 系统地分析了开关电源产生噪声的主要原因及产生噪声的回路和部件，给出了相应的抗干扰措施，从而提高了开关电源的电磁兼容性。
关键词: 开关电源 噪声 电磁兼容性
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开关电源不需要沉重的电源变压器，具有体积小、重量轻、效率高的优点，且市场上已有成品开关电源集成控制模块，使电源设计、调试简化许多，所以，在大多数的电子设备(如计算机、电视机及各种控制系统)中得到了广泛的应用。然而，开关电源自身产生的各种噪声却形成了一个很强的电磁干扰源。这些干扰随着开关频率的提高、输出功率的增大而明显地增强，对电子设备的正常运行构成了潜在的威胁。因此，只有提高开关电源的电磁兼容性，才能使开关电源在那些对电源噪声指标有严格要求的场合下被采用。
1 开关电源产生噪声的原因
开关电源的种类很多，按变换器的电路结构可分为串并联式和直流变换式两种;按激励方式可分为自激和它激两种;按开关管的组合可分为桥式、半桥式、推挽式等。但无论何种类型的开关电源都是利用半导体器件的开和关工作的，并以开和关的时间比来控制输出电压的高低。由于它通常在20kHz以上的开关频率下工作，所以电源线路内的dv/dt、di/dt很大，产生很大的浪涌电压、浪涌电流和其它各种噪声。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噪声。图1给出了一种典型的开关电源电路的简图，下面以此为例分析其产生噪声的主要原因。
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1.1 一次整流回路的噪声
在一次整流回路中，整流二极管D1～D4只有在脉动电压超过C1的充电电压的瞬间，电流才从电源输入侧流入。所以，一次整流回路产生高次畸变波，形成噪声。
1.2 开关回路的噪声
一是电磁辐射。电源在工作时，开关管T处于高频率通断状态，在由脉冲变压器初级线圈L1、开关管T和滤波器C1构成的高频电流环路中，可能会产生较大的空间辐射噪声。如果C1的滤波不足，则高频电流还会以差模方式传导到交流电源中去。二是感性负载引起的浪涌电压。在开关回路中开关管T的负载是脉冲变压器的初级线圈L1，是感性负载，所以开关管在通断时，在脉冲变压器的初级线圈的两端会出现较高的浪涌电压，很可能造成与此同一回路的电子器件(尤其是开关管T)的损坏。
1.3 二次整流回路的噪声
一是电磁辐射。电源在工作时，整流二极管D5也处于高频通断状态，由脉冲变压器次级线圈L2、整流二极管D5和滤波电容C2构成了高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。如果电容C2滤波不足
，则高频电流将以差模形式混在输出直流电压上，影响负载电路的正常工作。二是浪涌电流。硅二极管在正向导通时PN结内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。由于二次整流回路中D5在开关转换时频率很高，即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反电流的浪涌。由于直流输出线路中的分布电容、分布电感的存在，使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡。
1.4 控制回路的噪声
控制回路中的脉冲控制信号是主要的噪声源。
1.5 分布电容引起的噪声
一是Ci的作用。散热片K与开关管T的集电极间虽然有绝缘垫片，但由于其接触面较大，绝缘垫较薄，因此两者之间的分布电容Ci在高频时不能忽略。因此高频电流会通过Ci流到散热片上，再流到机壳地，最终流到与机壳地相连的交流电源的保护地线PE中，以产生共模辐射。二是Cd的作用。脉冲变压器的初、次级之间存在的分布电容Cd，可能会将原边高频电压直接耦合到副边上去，在副边用作直流输出的两条电源线上产生同相位的共模噪声。
2 开关电源的电磁兼容性设计
抑制开关电源的噪声可采取三方面的技术。一是减小干扰源的干扰能量;二是破坏干扰路径;三是采用屏蔽。
2.1 减小干扰源能量
由于开关电源的干扰源是不可能消除的，所以减小干扰源的能量就显得非常必要。一般采取的措施有:(1)并接RC电路。在开关管T两端加RC吸收电路，。在二次整流回路中的整流二极管D5两端加RC吸收电路，，抑制浪涌电压。(2)串接可饱和磁芯线圈。在二次整流回路中，与整流二极管D6串接带可饱和磁芯的线圈，。可饱和磁芯线圈在通过正常电流时磁芯饱和，电感量很小，不会影响电路正常工作;一旦电流要反向流过时，磁芯线圈将产生很大的反电势，阻止反向电流的上升，因此将它与二极管D6串联就能有效地抑制二极管D5的反向浪涌电流。目前已有超小型非晶型磁环成品，可以直接套在二极管的正极引线上，使用方便。
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2.2 破坏干扰路径
一是针对开关电源中分布电容引起的电场噪声采取措施。主要抗干扰措施有:(1)减少开关管集电极和散热片之间的耦合电容Ci。选用低介电常数的材料作绝缘垫，加厚垫片的厚度，并采用静电屏蔽的方法，。一般开关管的外壳是集电极，在集电极和散热片之间垫上一层夹心绝缘物，即绝缘物中间夹一层铜箔，作为静电屏蔽层，接在输入直流0V地上，散热片仍接在机壳地上，这样将大大减少集电极与散热片之间的耦合电容Ci，也就减少了它们之间的电场耦合。图3(a)是减少Ci的原理图，屏蔽层将Ci分
成Ci1和Ci2的串联形式，图3(b)是实物图。(2)减少脉冲变压器的分布电容Cd。在一次侧和二次侧间加静电屏蔽层，屏蔽层应尽量靠近发射极并接地，这样将耦合电容Cd也分成Cd1和Cd2的串联形式，，减少了一、二次侧的电场的耦合干扰。二是针对开关电源通过电源线向外传输噪声的特点采取措施，即采用滤波技术破坏干扰。采用的滤波技术有:(1)交流侧滤波。开关电源的交流电源线输入端插入共模和差模滤波器，防止开关电源的共模和差模噪声传递到电源线中，影响电网中其它用电设备，同时也抑制来自电网的噪声。交流侧滤波器，其中LD?CD用于抑制差模噪声，一般LD取100～700μH，CD取1～10μF，对抑制10～150kHz的噪声比较有效。LC、CC抑制共模噪声，一般LC取1～3mH，CC取2000～6800pF，对抑制150kHz以上的共模噪声有效。对于具体的开关电路要对其上述元件的参数进行调试确定。(2)直流侧滤波。在开关电源的直流输出侧插入的电源滤波器，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和电容C1、C2组成。为了防止磁芯在较大的磁场强度下饱和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必须采用高频特性好且饱和磁场强度大的恒μ磁芯。
2.3 屏蔽
抑制辐射噪声的有效方法是屏蔽。用导电良好的材料对电场屏蔽，用导磁率高的材料对磁场屏蔽。为了防止脉冲变压器的磁场泄露，可利用闭合磁环形成磁屏蔽，对整个开关电源要进行屏蔽。在屏蔽时应考虑散热和通风问题，屏蔽盒上的通风孔最好为圆形，接缝处最好焊接，以保证电磁的连续性。
开关电源的电磁兼容性设计考虑的因素还很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各种电源线、信号线的捆扎、配置等，有许多工作要做。全面抑制开关电源的各种噪声会大大提高开关电源的电磁兼容性，使开关电源得到更广泛的应用。
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