【技術(shù)干貨】開關(guān)電源噪聲的種類來源和抑制方法解析

攻城獅華哥

開關(guān)電源由于其體積小，重量輕和效率高的顯著優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。但它也有固有的缺點(diǎn)，即開關(guān)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(shè)備，尋求減小開關(guān)電源噪聲及其尖刺的方法，在實(shí)際應(yīng)用中有著重要意義。本文結(jié)合實(shí)際就開關(guān)電源噪聲種類及產(chǎn)生的原理進(jìn)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(guān)電源噪聲可分為兩大類：

一是開關(guān)電源內(nèi)部器件形成的干擾。

二是外界因素影響而使電源產(chǎn)生的干擾。

產(chǎn)生噪聲的來源很多，如外來干擾的雷電、機(jī)械振動、接觸不良等，另外電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，元器件的參數(shù)選擇不當(dāng)及整體結(jié)構(gòu)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(guān)管及整流管

開關(guān)管和整流管在開通及關(guān)斷轉(zhuǎn)換過程中，在微秒量級上升和下降時間內(nèi)的大電流變化所產(chǎn)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(dǎo)線傳送。

2、電源內(nèi)部寄生電容

開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的另一個來源是內(nèi)部寄生電容在開關(guān)狀態(tài)下突然充放電，尤以變壓器寄生電容、半導(dǎo)體器件和散熱器之間的電容以及導(dǎo)線到機(jī)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(shè)計(jì)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(guān)電源工作在較高的頻率，會使低頻元器件特性發(fā)生變化，由此產(chǎn)生噪聲。

4、高頻變壓器

變壓器是一個大的噪聲源，在開關(guān)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(guān)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(chǎn)生的電磁場更容易在其它的引線上耦合成噪聲。

三、噪聲產(chǎn)生的原因

1、 高頻變壓器初級T1A、開關(guān)管Q1和濾波電容C1構(gòu)成高頻開關(guān)電流環(huán)路，可能會產(chǎn)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(dǎo)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(gòu)成高頻開關(guān)電流環(huán)路也會產(chǎn)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(dǎo)(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(chǎn)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(zhuǎn)變成差模噪聲。

4、輸出整流二極管Ds會產(chǎn)生反向浪涌電流。二極管在正向?qū)�通時PN結(jié)內(nèi)的電荷積累，二極管加反向電壓時積累電荷將消失并產(chǎn)生反向電流。因?yàn)殚_關(guān)電流需經(jīng)二極管整 流，二極管由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂沟臅r間很短，在短時間內(nèi)要讓儲存電荷消失就產(chǎn)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(guān)管Q1的負(fù)載是高頻變壓器的初級線圈T1A,是感性負(fù)載，所以開關(guān)管關(guān)斷時管子兩端會出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓，此尖峰電壓產(chǎn)生的噪聲會傳導(dǎo)到輸入輸出兩端去。

從上述分析可以知道開關(guān)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(fù)時間引起的干擾。

2) 開關(guān)管工作時產(chǎn)生的諧波干擾。

功率開關(guān)管在導(dǎo)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(chǎn)生尖峰干擾。

3) 交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。

開關(guān)電源輸入端整流管在反向歸復(fù)期間也會引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。一般在整流電路之后總要接比較大的濾波電容，因?yàn)檎�流管的�?dǎo)通角小，會使交流輸入側(cè)的交流電流發(fā)生畸變，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)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(shè)備，因而抑制電磁干擾也應(yīng)該從這三個方面著手。

• 首先應(yīng)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(shè)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(shè)備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度
  
  

電路上的措施

開關(guān)電源產(chǎn)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(guān)斷開時為開關(guān)提供旁路，吸收蓄積在寄生分布參數(shù)中的能量，從而抑制干擾發(fā)生。常用的吸收電路有RC,RCD,LC等無源吸收網(wǎng)絡(luò)和有源吸收網(wǎng)絡(luò)。

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(shù)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(guī)規(guī)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(shù)越多(線徑相對細(xì)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(guī)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(huán)，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(lián)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(lián)來分擔(dān)負(fù)載電流、選擇具有反向歸復(fù)電流呈軟特性的整流二極管、適當(dāng)降低開關(guān)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(guān)管的VDS之間，以及輸出整流二極管上加裝RC吸收網(wǎng)絡(luò)，抑制電壓尖峰和浪涌電流。或在輸出整流二極管上串磁環(huán)，以此來抑制二極管的反向浪涌電流，其實(shí)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(shè)計(jì)時，盡量減小高頻回路的面積，縮短高頻線號線。在整機(jī)布線時還應(yīng)注意：

• 不要把開關(guān)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(yuǎn)離噪聲源。
• 輸出直流電源線最好是雙絞線，至少應(yīng)緊靠在一起走線。
• 電源的輸入輸出電源線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離控制、驅(qū)動電路中的信號線。
  
  

6、盡量減小開關(guān)管集電極與散熱片之間的分布電容�？梢赃x用低介電常數(shù)的絕緣墊片，并適當(dāng)?shù)脑黾咏^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(guān)電源產(chǎn)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(huán)形成磁屏蔽，另外還要對整個開關(guān)電源進(jìn)行電場屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問題，屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔，在滿足通風(fēng)的條件下，孔的數(shù)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(xù)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(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場屏蔽，否則，很難通過輻射騷擾測試。