开关电源基础知识及电磁干扰抑制.docx

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开关电源基础知识及电磁干扰抑制

开关电源基础知识、

电磁干扰产生机理及其抑制

主讲：

阮勇

单位：

空军预警学院电子研究所

武汉泓承科技有限公司

职务：

高级工程师

开关电源基础知识的探讨

1.简介

随着科技的发展，电子产品已逐渐渗透至人们生活的各个角落，电子产品的兴起伴随着开关电源的迅猛发展，此文旨在和大家一起分享开关电源的一些基础知识。

2.开关电源原理介绍

2.1开关电源的定义

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率（即占空比D），来维持稳定输出电压的一种电源设备。

2.2开关电源的分类

开关电源分类标准因人而异，下面仅列举常见的几中分类方法；

2.2.1以输入形式分类

开关电源以输入形式为分类标准，可分为AC-DC型开关电源和DC-DC型开关电源，如图1所示：

图1开关电源的分类

2.2.2以绝缘特性分类

开关电源以输入与输出的绝缘特性为分类标准，可分为隔离型和非隔离型两种，如图2所示：

图2开关电源的分类

2.2.3以拓扑结构分类

开关电源以拓扑结构为分类标准，可分为图示几种，如图2所示：

图3开关电源的分类

2.3开关电源的基本组成及原理

无论开关电源的拓扑形式如何变换，其基本组成均含有脉冲宽度调制（PWM）控制及开关器件。

现以我司最具代表性一款电源HCP-48/100Ι型开关电源为例，对三相输入AC-DC全桥变换型开关电源的组成及原理作一个简要的介绍。

2.3.1开关电源的基本组成

开关电源的基本组成如图4所示：

（以我司HCP-48/100Ι型开关电源为例）

图4开关电源的基本组成

2.3.2开关电源的原理框图

电源原理框图如图5所示：

图5电源原理框图

2.3.3开关电源的各部分原理

2.3.3.1交流输入电路

交流输入为三相三线制，交流输入电路包含EMI滤波、交流检测、工频整流、功率因数校正、浪涌抑制、高压滤波等部分，其作用是将低质量的交流电变换成高质量的直流电，同时对输入电压进行检测，以防交流输入故障时，电源未关断而损坏电源。

其原理如图6所示：

图6交流输入电路

2.3.3.2高频变换电路

由高压高频开关管和高频变压器及其它元器件组成，其功能是在脉宽调制驱动信号的控制下，将高压直流电压变成调宽的交流脉冲，由于应用了先进的零电压、零电流（ZVS、ZCS）技术，有效降低了开关管上的电压、电流应力和开关损耗，从而降低了电源自身功耗，提高了整机的可靠性和效率，明显减小了电磁干扰。

其原理如图7所示：

图7全桥变换

2.3.3.4脉宽调制控制

脉宽调制电路由PWM脉宽调制控制器及外围电路组成，其主要功能是通过接收外部反馈信号，来调整脉冲宽度从而实现输出稳定电压或者输出恒定电流的目的；此外，它还接收外部送入的保护信号来关断驱动信号，对电源实现有效保护。

2.3.3.5直流输出电路

直流输出电路部分包含：

高频整流、高频滤波以及电流采样等部分。

其功能是将高频调宽的交流信号变换成稳定的直流电平信号。

其原理如图8所示：

图8直流输出电路

2.3.3.6辅助电源

内部辅助电源由反激电路组成，其功能是给脉宽调制、CPU监控及信号检测部分提供工作电压。

2.3.3.7监控电路

监控电路由单片机及外围电路组成，其功能是对电源的输入、输出信息进行监控，对故障状态给予保护，同时完成系统电源与上位机之间信息的传递。

2.3.3.8显示电路

面板显示电路由数码管及LED发光二极管组成，数码管显示电源的输出电压、输出电流、温度及地址等信息，发光二极管指示电源模块的工作状态信息。

3.结束语

以上内容均为作者编写，不具备权威性，仅用作参考与讨论。

电磁干扰的浅析及抑制

1.简介

自从电子系统降噪技术在70年代中期出现以来，世界各国相继提出对电子产品的有关规章，这些规章要求各个公司确保它们的产品符合严格的磁化系数和发射准则，符合这些规章的产品称为具有电磁兼容性的合格产品，因此，抑制电磁干扰的相关技术被提上日程，越来越多的企业开始关注电磁干扰及其抑制方法，本文旨在和大家一起探讨电磁干扰的产生机理及抑制方法，结合我司电源产品，对开关电源电磁干扰作一些简单介绍。

2.电磁干扰基础知识

2.1电磁干扰的定义

电磁干扰：

电磁干扰是一种是电子噪声，它的主要危害是干扰电缆信号并降低信号完好性。

产生电磁干扰的三要素为：

干扰源、耦合路径、干扰对象。

干扰源

电磁干扰源包括微处理器、微控制器、传送器、静电放电和瞬时功率执行元件，如机械式继电器、开关电源、雷电等。

在开关电源中，开关器件就是最大的干扰源。

耦合路径

噪声被耦合到电路中最容易被通过的导体进行传递，如果一条导线经过一个充满噪声的环境，该导线会感应环境噪声，并且将它传递到电路的其余部分。

噪声通过电源线进入系统，由电源线携带的噪声就被传递到了整个电路，这是一种耦合情况。

耦合也发生在有共享负载（阻抗）的电路中。

例如两个电路共享一条提供电源的导线或一条接地导线。

如果其中一个电路需要一个突发的较大电流，而两个电路共享电源线，等效接入同一个电源内阻，电流的不平衡会导致另一个电路的电源电压下降。

该耦合的影响可以通过减少共同的阻抗来削减。

但电源内阻和接地导线是固定不变的。

若接地不稳定，一个电路中流动的返回电流就会在另一个电路的接地回路中产生地电位的变动，地电位的变动将会严重降低模/数转换器、运算放大器和传感器等低电平模拟电路的性能。

另外，电磁波的辐射存在于每个电路中，这就形成了电路间的耦合。

当电流改变时，就会产生电磁波。

这些电磁波能耦合到附近的导体中，并且干扰电路中的其他信号。

干扰对象

所有的电子电路都可能是电磁干扰的干扰对象。

虽然一部分电磁干扰是以辐射的方式被直接接受的，但大多数电磁干扰是通过瞬时传导被接受的。

在数字电路中，复位、中断和控制信号等临界信号最容易受到电磁干扰的影响。

控制电路、模拟的低级放大器和电源调整电路也容易受到噪声的影响。

2.2电磁干扰的分类

电磁干扰主要有两种：

一种是传导干扰；传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合（干扰）到另一个电网络。

另一种是辐射干扰；辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一个电网络。

2.3电磁干扰的抑制

从产生电磁干扰的三要素来看，抑制电磁干扰的方法有三种：

（1）降低干扰源发射出来的干扰信号；

（2）切断耦合路径；

（3）增强干扰对象的抗干扰能力。

3.开关电源中电磁干扰的产生及抑制

3.1开关电源电磁干扰的来源

开关电源工作时，自身含有大量谐波干扰，同时，由于变压器的漏感和输出整流二极管的反向恢复电流造成的电流尖峰，都会形成潜在的电磁干扰。

开关电源的干扰源主要集中在电压、电流突变的元器件上，尤其是开关管、整流二极管、高频变压器等。

下面对开关电源电磁干扰来源作出较为详细的介绍。

⑴整流、滤波电路产生的干扰

开关电源输入端、输出端均采用二极管整流、电容滤波；由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输入电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，这种畸变的输入电流，它除了基波外，还含有丰富的高次谐波分量。

⑵开关电路产生的干扰

   如图1所示，开关电路的核心也是主要的干扰源之一，它主要由开关管和高频变压器组成。

开关管产生的△V=dv/dt具有较大的脉冲，频带较宽且谐波丰富。

这种脉冲干扰产生的主要原因是：

●在开关管导通瞬间，变压器初级线圈产生很大的涌流，并在初级线圈的两端出现较高的浪涌尖峰电压；在开关断开瞬间，由于初级线圈的漏感，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和开关管本身的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在开关管的关断电压上，形成关尖峰电压。

这个噪音声会传导到输入、输出端，形成传导干扰。

●输出整流二极管在正向导通时，PN结内的电荷被积累，二极管加反向电压时积累的电荷将消失并产生反向电流。

由于输出整流电路中整流二极管在开关转换时频率很高，即由导通转变为截止的时间很短，在短时间内要让存储电荷消失就会产生反向浪涌电流。

由于直流输出中的分布电容、分布电感的存在，使因浪涌引起的干扰成为高频衰减振荡器。

●高频变压器初级线圈、开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路可能产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

⑶分布电容引起的干扰

开关电源工作在高频状态，其分布电容不可忽略。

一方面散热器与开关管的集电极间的绝缘片，由于其接触面积较大，绝缘片较薄，高频电流会通过分布电容流到散热器上，通过散热器流到机壳地，产生共模干扰；另一方面，变压器的初、次级之间存在分布电容，可将原边电压直接耦合到副边上，在副边两条输出线上形成共模干扰。

图1全桥变换开关电源主拓扑结构

 3.2抑制干扰的措施

   针对开关电源电磁干扰的产生机理，在此我们共同探讨如何在设计上抑制开关电源电磁干扰。

具体措施如下：

   ⑴设计EMI滤波器

电源输入EMI滤波器在电源进线端通常采用如图2所示电路。

该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。

图2EMI滤波器

图2中，电感L1、L2、Y电容C10～C18（又称旁路电容）用于滤除共模干扰信号，电感L3～L5、X电容C1～C9用于滤除差模干扰信号

⑵设计LC谐振电路

在全桥变换电路中，减小开关管上电压尖峰与电流尖峰行之有效的方法是实现软开关，电路如图3所示：

图3全桥变换谐振电路

   3.3高频变压器的设计和制作

   变压器是开关电源的最关键器件之一。

变压器不仅要设计合理，在制作上也很有讲究。

一个好的变压器既要满足带负荷能力，还要能起到较少和抑制干扰的作用。

首先应根据输出负载的大小选择变压器的类型和磁芯的型号。

   确定变压器的线径及导线根数。

依据变压器骨架的槽宽并以电流密度5A/mm2为参考，综合考虑电流的趋肤效应，决定变压器的线径及导线根数。

   根据电路的拓扑结构和设计要素，计算初次级绕组的电感量，如果是反激式电源还应计算变压器气隙的大小，气隙的大小决定了变压器的带负载能力，同时也会影响变压器漏感的大小。

而漏感是产生干扰的一个重要原因，在满足带负载能力的情况下，漏感以小些为好。

   变压器的结构设计和绕组分配。

变压器有两种常见的绕法：

顺序绕法和夹层绕法。

顺序绕法一般漏感为原边电感量的5％左右，但由于初、次级只有一个接触面，原、副边间杂散电容较小。

夹层绕法一般漏感为原边电感量的1-3％左右，但由于初，次级有两个接触面，原、副边间杂散电容较大。

漏感是产生干扰的重要因素，原、副边间杂散电容是干扰的传播通道，为抑制干扰，既要减少漏感又要减小漏感原副边间杂散电容。

因此，设计时应综合考虑这两个方面进行设计，具体采用何种绕法应该根据实际情况而定。

   变压器的屏蔽层。

在EMI干扰较强的情况下，常在变压器的初、次级之间加入一层屏蔽层，通过加入屏蔽层切断了初次级间杂散电容的路径，让其都对地形成电容，其屏蔽效果非常好，可以大为减少EMI，同时对于电网串入的瞬态干扰也有一定的抑制作用。

但变压器的制作工艺和成本都上升。

屏蔽层有铜层和绕线层两种，铜层的效果较佳。

输出整流滤波为了增加对干扰的滤波效果，可以在电源的二次输出侧加入二级滤波和一个共模电感。

这样可以滤除差模干扰和共模干扰。

4.结束语

以上内容均为作者编写，不具备权威性，仅用作参考与讨论。

电源噪声及抑制

1.简介

随着科技的发展，电子设备的应用日益广泛，电子噪声也随之充斥到整个大环境，电子设备之间相互影响，导致有些抗干扰能力差的电子设备误动作甚至不动作，因此，电路及线路板中的噪声抑制成为各个设备制造商们共同面临的也是亟待解决的一个难题。

本文针对电源噪声及其抑制方法展开讨论，并与大家一起分享电源噪声的一些抑制方法。

2.电源噪声的产生

2.1电源噪声的分类

噪声的产生一般可以分为内部因素和外部因素，内部因素是开关电源内部元件形成干扰；外部因素包含输出脉动噪声和辐射电场产生的噪声。

2.2噪声的产生源

噪声产生源包含：

开关管、二级管的反向恢复特性、变压器、电容及电感特性、印制板的设计等。

本文着重介绍PCB排版来减小电源噪声。

3印制电路板（PCB）的抗干扰设计

3.1电源线的设计

电源线的布线方法要依据PCB电流的大小来决定，尽量加粗电源线宽度来减小环路电阻；同时，应采取使电源线、地线的走向与信号线的方向一致的布局方案，将有助于增强抗干扰能力。

电源线要尽可能与地线平行，如果做不到，可以将电源线走成“蛇形”，但是不要牺牲地线，因为可以用滤波器对电源噪声进行去耦，地线则不能。

3.2地线的设计

在电子设备中，接地是抗干扰的重要方法。

大多数EMC和EMI问题都可以通过实用的、有效的地线布置方法得到解决。

地线系统最大的优点是具有对非期望干扰信号的抵抗能力，良好的地线系统的基本目的是使电流经过地线阻抗所产生的噪声电压最小。

多数单片机应用系统都有高频数字电路和低频模拟电路，有一些系统甚至还有继电器和大电流开关。

他们在物理位置上应该适当分开，并且他们的地线不应该混在一起，只有性质相似的电路才可以放在一起。

⑴单点接地与多点接地选择：

在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，接地电路的环流对干扰影响较大，因而屏蔽线采用一点接地以减小电感和辐射；当信号的工作频率大于10MHz，地线阻抗变得很大，此时应该尽可能降低地线阻抗，采用就近多点接地法；当工作频率在1MHz～10MHz之间时，如果用一点连地，其地线长度不应该超过波长的1/20，否则应采取多点接地法。

⑵数字、模拟电路分开。

PCB上的高速逻辑电路和线性电路的地线应尽量分开，分别与电源端地线相连，并尽量加大地线的接地面积。

⑶接地线应尽量加粗。

若接地线宽度不够，会导致电子设备信号电平不稳定，抗噪声性能降低，因此，应将接地线尽量加粗，使他能通过三倍于PCB上的允许电流，如有可能，接地线应在2mm～3mm以上，建议整张PCB板覆铜，将覆铜定义为地线，且每个接地点采用多点连接。

3.3退耦电容的配置

由于电容的容抗与频率成反比，因此将电容并联在信号线与地线之间就能起到对高频噪声的旁路作用。

好的高频点包容的去耦电容可以去除高达1GHz的高频成分。

⑴电源输入端与地线之间跨接10μF～100μF的电解电容。

⑵对于抗噪声弱，关断时电流变化大的器件，如ROM、RAM存储器件，应在芯片的电源线（VCC）和地线（GND）之间直接接入退耦电容。

⑶电容引线不能太长，特别是高频旁路电容不能带引线；

⑷每个IC原则上都应布置一个0.01μF的高频电容，不仅能使芯片贮存能量，提供和吸收该芯片电路开关瞬间的充、放电能，还能旁路掉该器件的高频噪声成分。

如果PCB空隙不够，可以每4～8个芯片布置一个1μF～10μF的电解电容。

3.4PCB的尺寸与器件布置

元器件的布局设计也是决定电路能否可靠工作的一个关键问题。

PCB大小要适中，过大时，印刷线条长，阻抗增加，不仅抗噪能力下降，成本也高；过小，则散热不好，同时容易受临近线条影响。

有时为了减小PCB的尺寸，可以把一些贴片元件放在PCB板的另一侧。

在确定PCB的尺寸后，再确定特殊元件的位置。

例如：

应把高频信号或者高速数字信号组件尽量接近PCB连接边（I/O）处，使他们传输线走线长度最短，并且把传输线之间的距离尽量拉大而且均匀分布。

最后根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行整体布局。

以每个功能单元的核心元件为中心进行布局，元件应均匀、整齐、紧凑的排列在PCB上，应尽量减小和缩短元器件之间的引线和连接。

也就是说，在设计PCB时，必须仔细考虑元件的适当布局。

例如模拟信号部分、高速信号部分、噪声源部分（继电器、大电流开关）这三部分合理分开，使相互间的信号耦合减小到最小。

4.结束语

以上内容均为作者编写，不具备权威性，仅用作参考与讨论。

谢谢！