摘? 要: 系統(tǒng)地分析了開關電源產生噪聲的主要原因及產生噪聲的回路和部件，給出了相應的抗干擾措施，從而提高了開關電源的電磁兼容性。

　　關鍵詞: 開關電源? 噪聲? 電磁兼容性

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　　開關電源不需要沉重的電源變壓器，具有體積小、重量輕、效率高的優(yōu)點，且市場上已有成品開關電源集成控制模塊，使電源設計、調試簡化許多，所以，在大多數(shù)的電子設備(如計算機、電視機及各種控制系統(tǒng))中得到了廣泛的應用。然而，開關電源自身產生的各種噪聲卻形成了一個很強的電磁干擾源。這些干擾隨著開關頻率的提高、輸出功率的增大而明顯地增強，對電子設備的正常運行構成了潛在的威脅。因此，只有提高開關電源的電磁兼容性，才能使開關電源在那些對電源噪聲指標有嚴格要求的場合下被采用。

1 開關電源產生噪聲的原因

　　開關電源的種類很多，按變換器的電路結構可分為串并聯(lián)式和直流變換式兩種;按激勵方式可分為自激和它激兩種;按開關管的組合可分為橋式、半橋式、推挽式等。但無論何種類型的開關電源都是利用半導體器件的開和關工作的，并以開和關的時間比來控制輸出電壓的高低。由于它通常在20kHz以上的開關頻率下工作，所以電源線路內的dv/dt、di/dt很大，產生很大的浪涌電壓、浪涌電流和其它各種噪聲。它們通過電源線以共?；虿钅７绞较蛲鈧鲗?，同時還向周圍空間輻射噪聲。圖1給出了一種典型的開關電源電路的簡圖，下面以此為例分析其產生噪聲的主要原因。

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1.1 一次整流回路的噪聲

　　在一次整流回路中，整流二極管D₁～D₄只有在脈動電壓超過C₁的充電電壓的瞬間，電流才從電源輸入側流入。所以，一次整流回路產生高次畸變波，形成噪聲。

1.2 開關回路的噪聲

　　一是電磁輻射。電源在工作時，開關管T處于高頻率通斷狀態(tài)，在由脈沖變壓器初級線圈L1、開關管T和濾波器C₁構成的高頻電流環(huán)路中，可能會產生較大的空間輻射噪聲。如果C₁的濾波不足，則高頻電流還會以差模方式傳導到交流電源中去。二是感性負載引起的浪涌電壓。在開關回路中開關管T的負載是脈沖變壓器的初級線圈L1，是感性負載，所以開關管在通斷時，在脈沖變壓器的初級線圈的兩端會出現(xiàn)較高的浪涌電壓，很可能造成與此同一回路的電子器件(尤其是開關管T)的損壞。

1.3? 二次整流回路的噪聲

　　一是電磁輻射。電源在工作時，整流二極管D5也處于高頻通斷狀態(tài)，由脈沖變壓器次級線圈L2、整流二極管D5和濾波電容C₂構成了高頻開關電流環(huán)路，可能向空間輻射噪聲。如果電容C₂濾波不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上，影響負載電路的正常工作。二是浪涌電流。硅二極管在正向導通時PN結內的電荷被積累，二極管加反向電壓時積累的電荷將消失并產生反向電流。由于二次整流回路中D5在開關轉換時頻率很高，即由導通轉變?yōu)榻刂沟臅r間很短，在短時間內要讓存儲電荷消失就產生反電流的浪涌。由于直流輸出線路中的分布電容、分布電感的存在，使因浪涌引起的干擾成為高頻衰減振蕩。

1.4 控制回路的噪聲

　　控制回路中的脈沖控制信號是主要的噪聲源。

1.5 分布電容引起的噪聲

　　一是C_i的作用。散熱片K與開關管T的集電極間雖然有絕緣墊片，但由于其接觸面較大，絕緣墊較薄，因此兩者之間的分布電容C_i在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過C_i流到散熱片上，再流到機殼地，最終流到與機殼地相連的交流電源的保護地線PE中，以產生共模輻射。二是C_d的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容C_d，可能會將原邊高頻電壓直接耦合到副邊上去，在副邊用作直流輸出的兩條電源線上產生同相位的共模噪聲。

2 開關電源的電磁兼容性設計

　　抑制開關電源的噪聲可采取三方面的技術。一是減小干擾源的干擾能量;二是破壞干擾路徑;三是采用屏蔽。

2.1 減小干擾源能量

　　由于開關電源的干擾源是不可能消除的，所以減小干擾源的能量就顯得非常必要。一般采取的措施有:(1)并接RC電路。在開關管T兩端加RC吸收電路，如圖2(a)所示。在二次整流回路中的整流二極管D5兩端加RC吸收電路，如圖2(b)所示，抑制浪涌電壓。(2)串接可飽和磁芯線圈。在二次整流回路中，與整流二極管D6串接帶可飽和磁芯的線圈，如圖2(b)所示。可飽和磁芯線圈在通過正常電流時磁芯飽和，電感量很小，不會影響電路正常工作;一旦電流要反向流過時，磁芯線圈將產生很大的反電勢，阻止反向電流的上升，因此將它與二極管D6串聯(lián)就能有效地抑制二極管D5的反向浪涌電流。目前已有超小型非晶型磁環(huán)成品，可以直接套在二極管的正極引線上，使用方便。

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2.2 破壞干擾路徑

　　一是針對開關電源中分布電容引起的電場噪聲采取措施。主要抗干擾措施有:(1)減少開關管集電極和散熱片之間的耦合電容C_i。選用低介電常數(shù)的材料作絕緣墊，加厚墊片的厚度，并采用靜電屏蔽的方法，如圖3所示。一般開關管的外殼是集電極，在集電極和散熱片之間墊上一層夾心絕緣物，即絕緣物中間夾一層銅箔，作為靜電屏蔽層，接在輸入直流0V地上，散熱片仍接在機殼地上，這樣將大大減少集電極與散熱片之間的耦合電容C_i，也就減少了它們之間的電場耦合。圖3(a)是減少C_i的原理圖，屏蔽層將C_i分成C_i1和C_i2的串聯(lián)形式，圖3(b)是實物圖。(2)減少脈沖變壓器的分布電容C_d。在一次側和二次側間加靜電屏蔽層，屏蔽層應盡量靠近發(fā)射極并接地，這樣將耦合電容C_d也分成C_d1和C_d2的串聯(lián)形式，如圖4所示，減少了一、二次側的電場的耦合干擾。二是針對開關電源通過電源線向外傳輸噪聲的特點采取措施，即采用濾波技術破壞干擾。采用的濾波技術有:(1)交流側濾波。開關電源的交流電源線輸入端插入共模和差模濾波器，防止開關電源的共模和差模噪聲傳遞到電源線中，影響電網中其它用電設備，同時也抑制來自電網的噪聲。交流側濾波器如圖5(a)所示，其中LD?CD用于抑制差模噪聲，一般LD取100～700μH，CD取1～10μF，對抑制10～150kHz的噪聲比較有效。LC、CC抑制共模噪聲，一般LC取1～3mH，CC取2000～6800pF，對抑制150kHz以上的共模噪聲有效。對于具體的開關電路要對其上述元件的參數(shù)進行調試確定。(2)直流側濾波。在開關電源的直流輸出側插入如圖5(b)所示的電源濾波器，它由共模扼流圈L1、L2，扼流圈L3和電容C1、C2組成。為了防止磁芯在較大的磁場強度下飽和而使扼流圈失去作用，扼流圈的磁芯必須采用高頻特性好且飽和磁場強度大的恒μ磁芯。

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2.3 屏蔽

　　抑制輻射噪聲的有效方法是屏蔽。用導電良好的材料對電場屏蔽，用導磁率高的材料對磁場屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場泄露，可利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，對整個開關電源要進行屏蔽。在屏蔽時應考慮散熱和通風問題，屏蔽盒上的通風孔最好為圓形，接縫處最好焊接，以保證電磁的連續(xù)性。

　　開關電源的電磁兼容性設計考慮的因素還很多，如印制板的制作、元器件的布局以及各種電源線、信號線的捆扎、配置等，有許多工作要做。全面抑制開關電源的各種噪聲會大大提高開關電源的電磁兼容性，使開關電源得到更廣泛的應用。

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參考文獻

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