上上电子网--开关电源的干扰及抑制

开关电源的干扰及抑制

一.      电源噪声的基本概念

电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可达150MHz。电源噪声，

特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰

根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：

②
.         .  一类是从电源进线引入的外界干扰;

②.  一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。

从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种。

①. 串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声。

②. 共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。

二.开关电源的干扰

开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。

开关电源的干扰一般分为两大类：一是开关电源内部元器件形成的干扰；二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰。

2.1 内部元器件干扰

开关电源产生的EMI主要是由基本整流器产生的高次谐波电流干扰和功率变换电路产生的尖峰电压干扰。

①．基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为工频交流正弦波通过整流后不再是单一频率的电流，而变成一直流分量和一系列频率不同的谐波分量，谐波(特别是高次谐波)会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰，使前端电流发生畸变，一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变，另一方面通过电源线产生射频干扰。

②．功率变换电路是开关稳压电源的核心。产生这种脉冲干扰的主要元件为：

a.开关管。开关管及其散热器与外壳和电源内部的引线间存在分布电容，当开关管流过大的脉冲电流(大体上是矩形波)时，该波形含有许多高频成份；同时，开关电源使用的器件参数如开关功率管的存储时间，输出级的大电流，开关整流二极管的反向恢复时间，会造成回路瞬间短路，产生很大短路电流，另外，开关管的负载是高频变压器或储能电感，在开关管导通的瞬间，变压器初级出现很大的涌流，造成尖峰噪声。

b.高频变压器。开关电源中的变压器，用作隔离和变压，但由于漏感的原因，会产生电磁感应噪声；同时，在高频状况下变压器层间的分布电容会将一次侧高次谐波噪声传递给次级，而变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路，使变压器周围产生的电磁场更容易在其他引线上耦合形成噪声。

c.整流二极管。整流二极管二次侧整流二极管用作高频整流时，由于反向恢复时间的因素，往往正向电流蓄积的电荷在加上反向电压时不能立即消除(因载流子的存在，还有电流流过)。一旦这个反向电流恢复时的斜率过大，流过线圈的电感就产生了尖峰电压，在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强的高频干扰，其频率可达几十MHz。

d.电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率，会使低频元件特性发生变化，由此产生噪声。

2.2 外部干扰

开关电源外部干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化、频率变化、波形失真、持续噪声或杂波以及瞬变等，电源干扰的类型如下表所示。

1跌落雷击；重载接通；电网电压低下

2失电恶劣的气候；变压器故障；其他原因的故障

3频率偏移发电机不稳定；区域性电网故障

4电气噪声雷达；无线电讯号；电力公司和工业设备的飞弧；转换器和逆变器

5浪涌突然减轻负载；变压器的抽头不恰当

6谐波失真整流；开关负载；开关型电源；调速驱动

7瞬变雷击；电源线负载设备切换；功率因素补偿电容切换；空载电动机的断开

以上几种干扰中，能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成因电源引起的对用电设备的影响。

三.抑制干扰的一些措施

抑制电磁干扰应该从骚扰源、传播途径和受扰设备人手。首先应该抑制骚扰源，直接消除干扰原因；其次是消除骚扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。常用的方法是屏蔽、接地和滤波。

3.1 屏蔽

采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰，即用电导率良好的材料对电场进行屏蔽，用磁导率高的材料对磁场进行屏蔽。

3.2 接地

所谓接地，就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备或元器件连接到某些叫作“地”的参考点上。接地是开关电源设备抑制电磁干扰的重要方法，电源某些部分与大地相连可以起到抑制干扰的作用。在电路系统设计中应遵循“一点接地”的原则，如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，当磁力线穿过该环路时将产生磁感应噪声。实际上很难实现“一点接地”，因此，为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采取平面式或多点接地，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。为进一步减小接地回路的压降，可用旁路电容减少返回电流的幅值。在低频和高频共存的电路系统中，应分别将低频电路、高频电路、功率电路的地线单独连接后，再连接到公共参考点上。

3.3 滤波

滤波是抑制传导干扰的有效方法，在设备或系统的电磁兼容设计中具有极其重要的作用。EMI滤波器作为抑制电源线传导干扰的重要单元，可以抑制来自电网的干扰对电源本身的侵害，也可以抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰。在滤波电路中，还采用很多专用的滤波元件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环，它们能够改善电路的滤波特性。恰当地设计或选择滤波器，并正确地安装和使用滤波器，是抗干扰技术的重要组成部分。

四.电磁干扰滤波器

电磁干扰滤波器也称为EMI 滤波器，它对串模、共模干扰都起到抑制作用，能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。

4.1直流电网电磁干扰滤波器

  4.2基本电路

该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1～C4。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF,主要用来滤除串模干扰。C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应与大地接通。C1～C4的耐压值均为630VDC或250VAC。两级复式EMI滤波器电路效果比图一效果更佳。

4.1.3 EMI滤波器在开关电源中的应用

为减小体积、降低成本，单片开关电源一般采用简易式单级EMI滤波器，典型电路，R为泄放电阻，可将C3上积累的电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使电源的进线端L、N不带电，保证使用的安全性。

MI滤波器能有效抑制单片开关电源的电磁干扰。

4.1.4直流EMI滤波器

为了抑制开关电源对其电流负载产生共模、差模干扰，开关电源直流输出端往往使用直流ＥＭＩ滤波器，它的典型电路如图８所示。

显然，这是一个共模扼流圈的典型单环滤波电路。根据电路特点，它只适用于直流输出端对地对称的电源电路。

如果直流输出是非对地对称电路，该电路为采用二级差模电感电路。如果插入损耗允许，当然也可采用一级差模电感电路。

4.2 AC电网常用EMI滤波器

4.2.1差模滤波电路

由于开关电源的开关频率谐波噪声源阻抗为低阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。

ＡＣ电网火线和零线之间是低阻抗，所以与之对应的滤波器输入端也应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。如果想再进一步抑制差模噪声，可以在滤波器输入端并接线间电容ＣＸ１，条件是它的阻抗要比ＡＣ电网火线、零线之间的阻抗还要低得多。

开关电源工频谐波噪声源阻抗是高阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是低阻抗并联大电容ＣＸ２。

4.2.2组合滤波器电路电路

根据要求插入损耗，可求出滤波电路的ＬＣＭ、ＬＤＭ、Ｃx、Ｃy的值。如果单环电路的插入损耗不能满足要求时，应该选择双环电路。

4.2.3交流三相滤波电路

交流三相滤波电路又分为三相三线制和三相四线制两种。

每一相电路即每相对地电路和典型单相电路就不难发现，其共模电路三相采用π型电路，单相采用Ｌ型电路；而差模电路三相的输出端有Ｃx电容，单相的输出端无Ｃx电容。

对比双环单相和三相三线制滤波电路不难发现，三相中的每一相电路和单相电路完全一样。

典型单环有差模电感的三相三线制滤波电路。大家可以和单环有差模电感的单相滤波电路相比较。

比较三相中的每一相电路即每相对中线电路和单相电路，同样差模电路三相的输出端有Ｃx电容。对地的共模电路三相采用π型电路，但区别的是Ｃy电容对每相来讲是公用的。

4.3 选择滤波器的注意点

2 明确工作频率和所要抑制的干扰频率，如两者非常接近，则需要应用频率特性非常陡峭的滤波器，才能把两种频率分开；

保证滤波器在高压情况下能够可靠地工作；

滤波器连续通以最大额定电流时，其温升要低，以保证在该额定电流连续工作时，不破坏滤波器中元件的工作性能；

为使工作时的滤波器频率特性与设计值相符合，要求与它连接的信号源阻抗和负载阻抗的数值等于设计时的规定值：

滤波器必须具有屏蔽结构，屏蔽箱盖和本体要有良好的电接触，滤波器的电容引线应尽量短，最好选用短引线低电感的穿心电容；

要有较高的工作可靠性，因为作防护电磁干扰用的滤波器，其故障往往比其他元器件的故障更难找。

4.4 安装滤波器的注意点

电源线路滤波器应安装在离设备电源人口尽量靠近的地方，不要让未经过滤波器的电源线在设备框内迂回；

滤波器中的电容器引线应尽可能短，以免因引线感抗和容抗在较低频率上谐振；滤波器的接地导线上有很大的短路电流通过，会引起附加的电磁辐射，故应对滤波器元件本身进行良好的屏蔽和接地处理；

滤波器的输人和输出线不能交叉，否则会因滤波器的输入和输出电容耦合通路引起串扰，从而降低滤波特性，通常的办法是输入和输出端之间加隔板或屏蔽层。

滤波器的接地点应和设备机壳的接地点取得一致，并尽量缩短滤波器的接地线。若接地点不在一处，那么滤波器的泄漏电流和噪声电流在流经两接地点的途径时，会将噪声引入设备内的其他部分。其次，滤波器的接地线会引入感抗，它能导致滤波器高频衰减特性的变坏。金属外壳的滤波器不能直接接地或使用塑封外壳滤波器时，它与设备机壳的接地线应可能的短。

（a）不正确的安装方法

（b）正确的安装方法

滤波器要安装在设备电源线输入端，连线要尽量短；设备内部电源要安装在滤波器的输出端。若滤波器在设备内的输入线长了，在高频端输入线就会将引入的传导干扰耦合给其他部分。若设备内部电源安装在滤波器的输入端，由于连线过长，也会导致同样的结果。

确保滤波器输入线和输出线分离

若滤波器输入、输入线捆扎在一起或相互安装过近，那么由于它们之间的耦合，可能使滤波器的高频衰减降低。若输入、输出线必须接近，那么都必须采用双绞线或屏蔽线。

要将噪声滤波器正确地连接到设备内部的每一单元。

若带有单独电源的若干单元安装在一个机壳内，那么必须把每一个单元视为设备的独立部分。每一单元必须连接各自的噪声滤波器，否则在机壳内，这些单元中的每一单元的噪声都会传导给其他单元格。