【技術干貨】開關電源噪聲的種類來源和抑制方法解析

攻城獅華哥

開關電源由于其體積小，重量輕和效率高的顯著優點而得到廣泛應用。但它也有固有的缺點，即開關噪聲、尖刺大。這種噪聲和尖刺不僅影響電路的正常工作，而且還會干擾鄰近的電子設備，尋求減小開關電源噪聲及其尖刺的方法，在實際應用中有著重要意義。本文結合實際就開關電源噪聲種類及產生的原理進行分析的同時，給出幾種抑制噪聲的方法。

一、噪聲的種類

開關電源噪聲可分為兩大類：

一是開關電源內部器件形成的干擾。

二是外界因素影響而使電源產生的干擾。

產生噪聲的來源很多，如外來干擾的雷電、機械振動、接觸不良等，另外電路設計不當，元器件的參數選擇不當及整體結構布局、或布線不合理等都會使電源噪聲增大。

二、噪聲的來源

1、開關管及整流管

開關管和整流管在開通及關斷轉換過程中，在微秒量級上升和下降時間內的大電流變化所產生的射頻能量成為噪聲的主要來源。由于頻率比較高，它以電磁能的形式直接向空間輻射，或者以干擾電流的形式沿著輸入輸出端導線傳送。

2、電源內部寄生電容

開關電源產生噪聲的另一個來源是內部寄生電容在開關狀態下突然充放電，尤以變壓器寄生電容、半導體器件和散熱器之間的電容以及導線到機架之間的電容為突出。這些電容總是存在的，我們只能通過合理的設計布局以減小噪聲，并盡量控制噪聲的傳輸途徑、

3、元器件特性變化

開關電源工作在較高的頻率，會使低頻元器件特性發生變化，由此產生噪聲。

4、高頻變壓器

變壓器是一個大的噪聲源，在開關電源里它用作隔離與變壓。但在高頻情況下，它的隔離是很不理想的，變壓器層間的分布電容使開關電源中的高頻噪聲很容易在初級與次級之間傳遞。變壓器對外殼的分布電容形成另一條高頻通道，而變壓器周圍空間產生的電磁場更容易在其它的引線上耦合成噪聲。

三、噪聲產生的原因

1、 高頻變壓器初級T1A、開關管Q1和濾波電容C1構成高頻開關電流環路，可能會產生

較大的空間輻射。如果電容器濾波不足，則高頻電流還會以差模方式傳導到輸入交流電源中去。原理圖簡化如下：

2、高頻變壓器次級T1C、整流二極管Ds、濾波電容Cout構成高頻開關電流環路也會產生空間輻射。同樣如果濾波電容不足，則高頻電流將以差模形式混在輸出直流電壓上向外傳導(如圖1)。

3、高頻變壓器的初級與次級之間存在分布電容Cs,初級的高頻電壓通過這些分布電容將直接耦合到次級上去，在次級的二條輸出直流電源線上產生同相位的共模噪聲。如果二條線對地的阻抗不平衡，還會轉變成差模噪聲。

4、輸出整流二極管Ds會產生反向浪涌電流。二極管在正向導通時PN結內的電荷積累，二極管加反向電壓時積累電荷將消失并產生反向電流。因為開關電流需經二極管整 流，二極管由導通轉變為截止的時間很短，在短時間內要讓儲存電荷消失就產生了反向的浪涌電流。由于直流輸出線路中的分布電容，分布電感，浪涌引起了高頻衰減振蕩，這是一種差模噪聲。

輸出整流二極管Ds的工作電流波形

5、開關管Q1的負載是高頻變壓器的初級線圈T1A,是感性負載，所以開關管關斷時管子兩端會出現較高的浪涌尖峰電壓，此尖峰電壓產生的噪聲會傳導到輸入輸出兩端去。

從上述分析可以知道開關電源中的噪聲干擾源很多，干擾途徑也是多種多樣的，影響較大的噪聲干擾源可以歸納以下三種：

1) 二極管的反向歸復時間引起的干擾。

2) 開關管工作時產生的諧波干擾。

功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流，在截止期間，高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變，會產生尖峰干擾。

3) 交流輸入回路產生的干擾。

開關電源輸入端整流管在反向歸復期間也會引起高頻衰減振蕩產生干擾。一般在整流電路之后總要接比較大的濾波電容，因為整流管的導通角小，會使交流輸入側的交流電流發生畸變，影響了電網的供電質量。

四、抑制噪聲的方法

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備，因而抑制電磁干擾也應該從這三個方面著手。

• 首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因
• 其次是消除干擾源與受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑
• 三是提高受擾設備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度
  
  

電路上的措施

開關電源產生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化，因此盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率(du/dt,di/dt)。采用吸收電路也是抑制電磁干擾的好辦法。吸收回路的基本原理就是開關斷開時為開關提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數中的能量，從而抑制干擾發生。常用的吸收電路有RC,RCD,LC等無源吸收網絡和有源吸收網絡。

具體措施如下

1、在交流電輸入端加電源濾波器，濾波器的電路圖形如下圖。其中L1,L2,Cx用于抑制差模噪聲，Cx一般對低頻段(150K—數M之間)的EMI防制有效，一般而言Cx越大，EMI抑制效果越好(但價格越高)。如Cx的值在0.22uF以上(包含0.22uF)，安規規定必須要有洩放電阻。LG1,Y1,Y2是抑制共模噪聲，其中LG1線圈數越多(線徑相對細一些)，EMI防制效果越好，但溫升可能會高。Y-CAP會影響EMI特性，一般而言越大越好，但須考慮漏電流和價格問題，漏電流必須符合安規要求。

2、在電源的輸出端加裝共模噪聲濾波器。在輸出線上套上鐵氧體磁環，做成共軛流圈，再裝高頻電容，這樣可以抑制部分共模噪聲。加大輸出濾波電感的電感量和濾波電容的電容量，可以抑制差模噪聲，多個電容并聯比單個電容的抑制效果更好。

3、輸出整流二極管采用多個二極管并聯來分擔負載電流、選擇具有反向歸復電流呈軟特性的整流二極管、適當降低開關管的開通速率、減小高頻變壓器的漏感并確保它不飽和等都是抑制噪聲的有效手段。

4、在高頻變壓器的原邊、副邊、開關管的VDS之間，以及輸出整流二極管上加裝RC吸收網絡，抑制電壓尖峰和浪涌電流。或在輸出整流二極管上串磁環，以此來抑制二極管的反向浪涌電流，其實此處用RCD吸收會比用RC吸收效果較好。用RCD吸收，其整流管尖峰電壓可以壓得更低，而且吸收損耗更小。

5、PCB板設計時，盡量減小高頻回路的面積，縮短高頻線號線。在整機布線時還應注意：

• 不要把開關電源的輸入交流電源線和輸出直流電源線靠在一起，更不能捆扎 在一起，同時盡可能的遠離噪聲源。
• 輸出直流電源線最好是雙絞線，至少應緊靠在一起走線。
• 電源的輸入輸出電源線應盡可能遠離控制、驅動電路中的信號線。
  
  

6、盡量減小開關管集電極與散熱片之間的分布電容。可以選用低介電常數的絕緣墊片，并適當的增加絕緣墊片的厚度。必要時，在絕緣墊之間插入薄銅板作為靜電屏蔽用。

7、屏蔽，控制開關電源產生干擾輻射的又一個方法是屏蔽，目的是切斷電磁波的傳播途徑，用電磁屏蔽的方法電磁干擾問題不會影響電源正常工作。為防止脈沖變壓器的磁場泄露，可以利用閉合環形成磁屏蔽，另外還要對整個開關電源進行電場屏蔽。屏蔽應考慮散熱和通風問題，屏蔽外殼上的通風孔最好為圓形多孔，在滿足通風的條件下，孔的數量可以多，每個孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接，以保證電磁通路的連續性，若對電場屏蔽，屏蔽外殼一定要接地，否則，將起不到屏蔽效果。若對磁場屏蔽，屏蔽外殼則不需接地，對非嵌入的外置式開關電源的外殼一定要進行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。