開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生與抑制

代樂榮

(四川機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川攀枝花617000)

開關(guān)電源與線性電源相比擁有許多優(yōu)勢，如體積小、重量輕、高效率等;但是隨之帶來的是電磁干擾［1］。由于開關(guān)電源本身的特殊結(jié)構(gòu)，其固有的諧波整流，開關(guān)頻率及其諧波，在高功率開關(guān)器件中，不可避免的被高速電流和電壓跳變而產(chǎn)生的電磁干擾，干擾是不可避免的，而我們要做的就是如何降低干擾的程度［1］。

1 噪聲產(chǎn)生

1.1 噪聲的分類

噪音的產(chǎn)生一般可以分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素是開關(guān)電源內(nèi)部元件，形成干擾。外部的干擾涉及到人為因素和自然因素［1］。噪聲根據(jù)來源的不同可分為:輸出脈動(dòng)噪聲，輻射電場所產(chǎn)生的噪聲，外來突變電壓引起的噪聲和雷電沖擊電壓引起的噪聲等。

1.2 噪聲產(chǎn)生源

(1)開關(guān)管

開關(guān)電源中的矩形波的形成主要由于分布電容存在于開關(guān)管的外殼與系統(tǒng)內(nèi)部電源線之間，當(dāng)過大的脈沖電流流過開關(guān)管的時(shí)候而產(chǎn)生的;由于開關(guān)電源的器件的相關(guān)參數(shù)原因如功率管的儲電時(shí)間tc短，輸出端的直流電流Im較大，開關(guān)電源的整流二極管的反向恢復(fù)時(shí)間th較短，因而導(dǎo)致會在系統(tǒng)中造成瞬間短路的現(xiàn)象，由于幅值較大因而會在流經(jīng)變壓器和系統(tǒng)中電感時(shí)形成干擾的電磁場。

(2)二極管的恢復(fù)特性

若用PN型二極管作高頻的整流時(shí)候，由于正向電流堆積在寄生電容上的方向電壓因?yàn)橛休d流子的存在不能馬上被消除，而在系統(tǒng)中形成反向電流，過大的斜率使其在電源中形成尖峰電壓。

(3)變壓器

變壓器運(yùn)用于開關(guān)電源主要是用于隔離和變壓。在高頻率工作狀態(tài)下，它并不是完全隔離，電源上的高頻噪聲由于變壓器的層間分布電容的存在使其很容易在初、次級之間傳遞。

1.3 電容、電感器和導(dǎo)線

低頻的開關(guān)電源器件特性會在高頻的工作狀態(tài)下發(fā)生改變，從而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。

2 消除噪聲的主要方法

電力系統(tǒng)中的電流和電壓會因?yàn)殚_關(guān)電源中的電磁干擾而劇烈的變化，需要盡量減少電壓和電流在電路中的變化率(du/dt，di/dt)，使用吸收電路是一個(gè)很好的抑制電磁干擾的方法。對于開關(guān)吸收電路的基本原則是切斷旁路，吸收積累的能量(寄生于分布參數(shù))，從而減少干擾的產(chǎn)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)。

增加濾波器是一種很好的抑制傳導(dǎo)干擾的方法。具體措施如下:

(1)如圖在DC輸入端加裝電源濾波器來降低干擾。其中LD、CD用于抑制差模噪聲，一般 LD取100～700 μH，CD取1 ～10 μF，對10～150 kHz比較有效。LC、CC用于抑制共模噪聲，一般 LC取1～3 μH，CC取2 000 ～6 800 pF，對抑制150 kHz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。

圖1 電源濾波器的電路形式

電源濾波器可以看作一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)

圖2 濾波器等效二端口網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)插入損耗的定義，插入損耗應(yīng)為加入濾波器前負(fù)載上的電壓U20與加入濾波器后負(fù)載上的電壓U2之比，即

可以求出:

所以有:

插入損耗:

其中A為濾波電路的二端網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)移矩陣。

圖3、圖4中所展示的是該電源濾波器的使用效果。圖3為一開關(guān)電源未使用電源濾波器時(shí)電源端0.15 MHz～30 MHz傳導(dǎo)騷擾電壓的波形;圖4是插入濾波器后的波形，可見其濾波效果是明顯的。

圖3 使用濾波器前的電源端騷擾電壓

圖4 使用濾波器后的電源端騷擾電壓

在電源的交流輸入端加裝濾波器的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注意:

除了制造商特別聲明不需要接地以外，在電源端加裝濾波器的時(shí)候都應(yīng)該使濾波器接地，因?yàn)橐构材V波器的旁路電容正常工作必須接地。正常情況下除了要將金屬外殼與濾波器相接外，還需要使用粗導(dǎo)線連接過濾器的外殼和設(shè)備的接地點(diǎn)。為了達(dá)到較好的濾波效果，要使接地電阻盡可能的低。

安裝時(shí)不能使濾波器距離電源端口太近，否則會將輸入端的干擾信號耦合進(jìn)入電壓變換階段對輸出造成干擾。必要時(shí)，使用單獨(dú)的屏蔽分區(qū)。

(2)將共模噪聲濾波器安裝在電源輸出端。在輸出線上加裝磁環(huán)，形成共軛電抗器，再加上安裝了一個(gè)高頻率的電容，它可以有效地抑制共模噪聲。增加輸出濾波電感和濾波電容的大小，可以抑制差模噪聲，并聯(lián)電容器的數(shù)量越多越好。

(3)選擇具備反向恢復(fù)特性的整流二極管，并選擇多個(gè)二極管的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來組成輸出整流管，電源開關(guān)速度適當(dāng)降低，以減少高頻變壓器的漏感，以確保它的不飽和特性以達(dá)到抑制噪聲的目的。

(4)在高頻變壓器的原副邊之間、開關(guān)管的集電極和基極之間、輸出二極管的端子上，并聯(lián)RC吸收電路可以有效地抑制尖峰電壓和電流。

(5)由于在開關(guān)管以及輸出整流二極管間加裝了散熱板，而導(dǎo)致在晶體管集電極以及二極管的負(fù)極和散熱板間存在較大的寄生電容C;由于存在上百伏的電壓脈沖，容易導(dǎo)致產(chǎn)生共模噪聲;散熱片與開關(guān)管的集電極之間的分布電容C應(yīng)當(dāng)盡可能的小，可以采用較厚的且介電系數(shù)較低的絕緣墊;若效果不佳還可以再將薄銅板插入絕緣墊之間以達(dá)到靜電屏蔽的作用。

(6)線路濾波器 電源如果受到外界的干擾如雷電沖擊、人為噪聲干擾時(shí)的誤動(dòng)作將對系統(tǒng)產(chǎn)生很大的干擾，如果在交流的輸入端接濾波器的話可以有效地減少這種干擾的產(chǎn)生，以及發(fā)生在開關(guān)電源內(nèi)部的噪聲不從輸入端泄漏出去。電路中 Cx電容一般取0.1 ～0.47μF，Cy電容取1 000 ～4 700 pF，共模扼流圈的電感可選擇2 mH左右。

(7)變壓器的屏蔽 在電力傳輸?shù)木€路上，變壓器的接線必須嚴(yán)格按照一般的線路規(guī)定，除此之外，也要求漏磁小，線圈間的寄生電容C要盡量小;要做到這一點(diǎn)，可以減少空隙的間距，適當(dāng)?shù)倪x擇襯墊在線圈間設(shè)置靜電屏蔽。在變壓器的外圍卷銅箔帶，可以有效地實(shí)現(xiàn)電磁場的屏蔽，防止變壓器的漏磁。

(8)接地措施，對電源進(jìn)行接地處理的目的是為了安全考慮，而對電源接地處理以后還能有效地處理電磁兼容問題。降低電磁的干擾一個(gè)良好的接地系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。電源的接地是將電源的金屬外殼和大地連接在一起，這主要是處于安全的接地，因而被稱為安全地。

4 結(jié)束語

如何降低開關(guān)電源的噪聲一直是開關(guān)電源中的一項(xiàng)重要課題，除了上述措施能夠有效地抑制電源的噪聲以外，我們還可以在元件安裝的位置和方向、系統(tǒng)電路的整體布局等方面著手降低開關(guān)電源的噪聲影響。隨著人們對電源抗噪技術(shù)的不斷認(rèn)識和技術(shù)的不斷發(fā)展，開關(guān)電源將得到更加廣泛的運(yùn)用。

［1］戴永軍，虞利明，孫良偉.開關(guān)電源噪聲的產(chǎn)生原因及抑制方法［C］.中國電源學(xué)會第十四屆全國電源技術(shù)年會論文集，2011:491－493.

［2］沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［3］華東計(jì)算技術(shù)研究所.晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源［M］.北京:人民郵電出版社，1985.32 －48.

［4］張松春.電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.56 －72.

［5］劉選忠.實(shí)用電源技術(shù)手冊［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［6］李云.電源噪聲濾波器的基本原理與應(yīng)用方法［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2001(8):38－42.