開關電源噪聲的產生-內部干擾源

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開關電源噪聲的產生-內部干擾源

開關電源噪聲的產生一般可分為兩大類：一是開關電源內部元件形成的干擾；二是由于外界因素影響而使開關電源產生的干擾，這涉及到人為因素和自然因素。
１．內部干擾源
開關電源產生EMI的原理較多，其中由基本整流器產生的電流高次諧波干擾和變壓器型功率轉換電路產生的尖峰電壓干擾是主要原因。
基本整流器的整流過程是產生EMI較常見的原因。這是因為正弦波電源通過整流器后變成單向脈動電源，已不再是單一頻率的電流，此電流波可分解為直流分量和一系列頻率不同的交流分量之和。實驗結果表明，諧波（特別是高次諧波）會沿著輸電線路產生傳導干擾和輻射干擾，一方面使接在其前端電源線上的電流波形發生畸變，另一方面通過電源線產生射頻干擾。
變壓器型功率轉換電路是開關穩壓電源的核心，它產生的尖峰電壓是一種有較大幅度的窄脈沖，其頻帶較寬且諧波比較豐富。產生這種脈沖干擾的主要原因是
①開關管。開關管及其散熱器與外殼和電源內部的引線間存在分布電容。當開關管流過大的脈沖電流時，大體上形成了矩形波，該波形含有許多高頻成分。由于開關電源使用的元件參數（如開關管的存儲時間、輸出級的大電流、開關整流二極管的反向恢復時間）均會造成回路瞬間短路，產生很大短路電流。凡有短路電流的導線及這種脈沖電流流經的變壓器和電感產生的電磁場都可形成噪聲源。開關管的負載是高頻變壓器或儲能電感，在開關管導通的瞬間，變壓器初級出現很大的涌流，造成尖峰噪聲。這個尖峰噪聲實際上是尖脈沖，輕者造成干擾，重者有可能擊穿開關管
②高頻變壓器。當原來導通的開關管關斷時，高頻變壓器的漏感所產生的反電勢E＝
Ldi／dt，其值與集電極的電流變化率（di／dt）成正比，與漏感量成正比，疊加在關斷電壓上形成關斷電壓尖峰，從而形成傳導性電磁干擾，既影響變壓器的初級，還會傳導給配電系統，影響其他用電設備的安全和經濟運行。開關電源中的變壓器用作隔離和變壓。但在高頻的情況下，它的隔離是很不完全的，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路，而使變壓器周圍產生的電磁場更容易在其他引線上耦合形成噪聲
③整流二極管。在輸出整流二極管截止時有一個反向電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。其中能將反向電流迅速恢復到零點的二極管稱為硬恢復特性二極管，這種極管在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強的高頻干擾，其頻率可達幾十兆赫pN型硅二極管用作高頻整流時，正向電流蓄積的電荷在加上反向電壓時不能立即消除（因載流子的存在，還有電流流過）。一且這個反向電流恢復時的電流斜率過大，流過線圈的電感就產生了尖峰電壓
④電容、電感器和導線。開關電源由于工作在較高頻率，會使低頻的元器件特性發生變化，由此產生噪聲
⑤SPWM逆變電源噪聲。SPWM逆變電源的噪聲主要形成于逆變回路中電流或電壓的突變，突變的電流、電壓又通過電磁場等傳播到其他級。逆變橋工作在高頻開關方式，通過開關管的高頻脈沖電流在輸入端產生高頻脈沖電壓，疊加在輸入直流電壓U１上，形成輸入端差模噪聲（電源引線之間的噪聲）。逆變橋輸出的高頻SPWM開關信號通過電感L。、電容C。濾波后變成所需的正弦波電壓，但濾波電路在濾除噪聲的同時也增加了基波的損失，所以濾波器參數不宜取大，因而在輸出正弦波電壓中仍殘留了高頻開關信號脈動成分，成為輸出差模噪聲的一部分，在正弦波變化幅度大處尤為明顯。另一方面，由于線路電感、分布電容的存在，在開關管通斷時不可避免地要產生高頻衰減的振蕩，即振鈴響應。這一振鈴可通過變壓器影響到輸出端，若不采取相應措施，其振幅遠高于前述高頻脈動電壓的幅值。同時變壓器線圈的匝間分布電容相當于一個微分電容，對脈動的階梯正弦信號上升沿有放大作用，形成又一脈沖型噪聲電平。三者疊加在輸出正弦波上形成不可忽視的差模噪聲，開關電路中突變的電壓又可成為共模噪聲源，通過各種分布電容耦合在電源的輸入、輸出端形成共模噪聲（電源線對地的噪聲）
從應用的角度上看，逆變電源的輸出噪聲可直接影響作為負載的電子設備的工作，即使通過了電磁兼容性測試的逆變電源，在實際應用時仍可能出現噪聲電平超標的情況。其主要原因如下
①逆變電源帶某些負載后濾波器參數發生變化，濾波效果降低。
②某些負載（含開關電源的負載）可將其開關噪聲傳導到其輸入側，即SPwM逆變電源的輸出側。
③輸人、輸出電纜平行敷設且距離很近，導致輸入側的噪聲耦合到輸出線上，尤其是大容量升壓型逆變電源輸入電流較大，噪聲耦合嚴重
④逆變電源輸出端兩臂上的阻抗不對稱，引起共模噪聲電平不相等，兩者之差就轉變為差模噪聲。如逆變電源輸出濾波器采用單臂串接電感的方式，某些整流負載為緩和合閘時的沖擊電流，而在其輸入側（即逆變電源的輸出側）單臂串接的扼流電感，使得兩臂阻抗變得不對稱。
⑤當逆變電源輸入、輸出側共模濾波電路的接地線接至同一點時，就形成了地線環流，輸入側的共模噪聲通過輸出側共模濾波電路的接地線，將共模噪聲耦合到輸出端，即使再加一級EMI濾波器也無效
對上述開關電源產生的EMI所采取的抑制措施主要有正確選擇半導體器件、變壓器鐵芯材料和在開關電源的電路中采取屏蔽、接地、濾波等幾種方法。

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| 發布時間：2018.05.14 來源：電源適配器廠家

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