摘? 要: 系統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，在大多數的電子設備(如計算機、電視機及各種控制系統)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模或差模方式向外傳導，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，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，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，即由導通轉變為截止的時間很短，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Ci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Ci在高頻時不能忽略。因此高頻電流會通過Ci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Cd的作用。脈沖變壓器的初、次級之間存在的分布電容Cd，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Ci。選用低介電常數的材料作絕緣墊，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Ci，也就減少了它們之間的電場耦合。圖3(a)是減少Ci的原理圖，屏蔽層將Ci分成Ci1和Ci2的串聯形式，圖3(b)是實物圖。(2)減少脈沖變壓器的分布電容Cd。在一次側和二次側間加靜電屏蔽層，屏蔽層應盡量靠近發射極并接地，這樣將耦合電容Cd也分成Cd1和Cd2的串聯形式，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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