開(kāi)關(guān)電源 噪音

開(kāi)關(guān)電源概述

開(kāi)關(guān)模式電源（Switch Mode Power Supply，簡(jiǎn)稱(chēng)SMPS），又稱(chēng)交換式電源、開(kāi)關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個(gè)位準的電壓，透過(guò)不同形式的架構轉換為用戶(hù)端所需求的電壓或電流。開(kāi)關(guān)電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設備，例如個(gè)人電腦，而開(kāi)關(guān)電源就進(jìn)行兩者之間電壓及電流的轉換。

開(kāi)關(guān)電源不同于線(xiàn)性電源，開(kāi)關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開(kāi)模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個(gè)模式都有低耗散的特點(diǎn)，切換之間的轉換會(huì )有較高的耗散，但時(shí)間很短，因此比較節省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開(kāi)關(guān)電源本身是不會(huì )消耗電能的。電壓穩壓是透過(guò)調整晶體管導通及斷路的時(shí)間來(lái)達到。相反的，線(xiàn)性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過(guò)程中，晶體管工作在放大區，本身也會(huì )消耗電能。開(kāi)關(guān)電源的高轉換效率是其一大優(yōu)點(diǎn)，而且因為開(kāi)關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開(kāi)關(guān)電源也會(huì )比線(xiàn)性電源的尺寸要小，重量也會(huì )比較輕。

若電源的高效率、體積及重量是考慮重點(diǎn)時(shí)，開(kāi)關(guān)電源比線(xiàn)性電源要好。不過(guò)開(kāi)關(guān)電源比較復雜，內部晶體管會(huì )頻繁切換，若切換電流尚加以處理，可能會(huì )產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設備，而且若開(kāi)關(guān)電源沒(méi)有特別設計，其電源功率因數可能不高。

開(kāi)關(guān)電源的主要用途

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器，電子冰箱，液晶顯示器，LED燈具，通訊設備，視聽(tīng)產(chǎn)品，安防監控，LED燈帶，電腦機箱，數碼產(chǎn)品和儀器類(lèi)等領(lǐng)域。

開(kāi)關(guān)電源的噪音來(lái)源

噪音來(lái)源于PCB設計、電路振蕩和磁元件三方面：

1、電路震蕩

電源輸出有很大的低頻穩波。多是電路穩定余度不夠引起。理論上可以用系統控制理論中的頻域法/時(shí)域法或勞斯判據做理論分析?，F在，可以用計算機仿真方法方便的驗證電路穩定性，以避免自激振蕩發(fā)生，有多款軟件可以用。對于已經(jīng)做好的電路，可以增加輸出濾波電容或電感、改變信號反饋位置、增加PI調節的積分電容、減少開(kāi)環(huán)放大倍數等方法改善。

2、PCB設計

主要是EMI噪音引起，射頻噪音調整PI調節器，使輸出誤差信號中包含擾動(dòng)。主要查看高頻電容是否離開(kāi)關(guān)元件太遠，是否有大的C形環(huán)繞布線(xiàn)等。

控制電路的PCB線(xiàn)至少有兩點(diǎn)以上和功率電路共用。PCB覆銅線(xiàn)并非理想導體，它總是可以等效成電感或電阻體，當功率電流流過(guò)了和控制回路共用的PCB線(xiàn)，在PCB上產(chǎn)生電壓降落，控制電路各節點(diǎn)分散在不同位置時(shí)，功率電流引起的電壓降對控制網(wǎng)絡(luò )家入了擾動(dòng)，使電路發(fā)出噪音。這顯現多發(fā)生在功率地線(xiàn)上，注意單點(diǎn)接地可以改善。

3、磁元件

磁材有磁至應變的特點(diǎn)，漆包線(xiàn)也會(huì )在泄露磁場(chǎng)中受到電動(dòng)力的左右，這些因素的共同作用下，局部會(huì )發(fā)生泛音或1/N頻率的共振。改變開(kāi)關(guān)頻率和磁元件浸漆可以改善。

噪音干擾源

由以上分析可以知道開(kāi)關(guān)電源中的噪聲干擾源很多,干擾途徑是多種多樣的,影響較大的噪聲干擾源可以歸納為以下三種：

1、二極管的反向恢復時(shí)間引起的干擾。

2、開(kāi)關(guān)管工作時(shí)產(chǎn)生的諧波干擾。

功率開(kāi)關(guān)管在導通時(shí)流過(guò)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，也會(huì )產(chǎn)生尖峰干擾。

3、交流輸入回路產(chǎn)生的干擾。

開(kāi)關(guān)電源輸入端整流管在反向恢復期間也會(huì )引起高頻衰減振蕩產(chǎn)生干擾。一般整流電路后面總要接比較大的濾波電容，因而整流管的導通角較小，會(huì )引起很大的充電電流，使交流輸入側的交流電流發(fā)生畸變，影響了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。另外，濾波電容的等效串聯(lián)電感對產(chǎn)生干擾也有較大的影響。

所有這些干擾按傳播途徑可以分為傳導干擾和輻射干擾兩類(lèi)。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的尖峰干擾和諧波干擾能量通過(guò)開(kāi)關(guān)電源輸入輸出線(xiàn)傳播出去形成的干擾稱(chēng)為傳導干擾。諧波和寄生振蕩的能量，通過(guò)輸入輸出線(xiàn)傳播時(shí)，在空間產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，這些通過(guò)電磁輻射產(chǎn)生的干擾稱(chēng)為輻射干擾。

正因為開(kāi)關(guān)電源本身就是一個(gè)強干擾源、所以除了電路上采取措施抑制其電磁干擾產(chǎn)生外，還應對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行有效的電磁屏蔽，濾波以及接地。

開(kāi)關(guān)電源噪音抑制的方法

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(gè)方面著(zhù)手。首先應該抑制干擾源，直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射，切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力，降低其對噪聲的敏感度。第三點(diǎn)不是本文討論的范圍。

采用功率因數校正（PFC）技術(shù)和軟開(kāi)關(guān)功率變換技術(shù)能大大降低噪聲幅度。

1、電路上的措施

開(kāi)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，因此需要盡可能地降低電路中的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。吸收電路的基本原理就是開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)為開(kāi)關(guān)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(fā)生。常用的吸收電路有RC、RCD、LC無(wú)源吸收網(wǎng)絡(luò )和有源吸收網(wǎng)絡(luò )。

濾波是抑制傳導干擾的一種很好的方法。例如，在電源輸入端接上濾波器可以抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生并向電網(wǎng)反饋的干擾，也可以抑制來(lái)自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中，還采用很多專(zhuān)用的濾波元件，如穿心電容器，三端電容器，鐵氧體磁環(huán)，他們能夠改善電路的濾波特性。恰當的設計或選擇濾波器，并正確地安裝濾波器，是抗干擾技術(shù)的重要組成部分。

2、結構上的措施：屏蔽

屏蔽是解決電磁兼容問(wèn)題的重要手段之一，目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問(wèn)題都可以通過(guò)電磁屏蔽來(lái)解決。用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問(wèn)題的最大好處是不會(huì )影響電路的正常工作。

屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。

對開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，主要是要做好機殼的屏蔽、高頻變壓器的屏蔽、開(kāi)關(guān)管和整流二極管的屏蔽以及控制、驅動(dòng)電路的屏蔽等，并要通過(guò)各種方法提高屏蔽效能。

開(kāi)關(guān)電源的工作原理詳解

開(kāi)關(guān)電源的伯特圖

開(kāi)關(guān)電源的工作過(guò)程相當容易理解，在線(xiàn)性電源中，讓功率晶體管工作在線(xiàn)性模式，與線(xiàn)性電源不同的是，PWM開(kāi)關(guān)電源是讓功率晶體管工作在導通和關(guān)斷的狀態(tài)，在這兩種狀態(tài)中，加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的（在導通時(shí)，電壓低，電流大；關(guān)斷時(shí)，電壓高，電流?。?功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產(chǎn)生的損耗。

與線(xiàn)性電源相比，PWM開(kāi)關(guān)電源更為有效的工作過(guò)程是通過(guò)“斬波”，即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來(lái)實(shí)現的。

脈沖的占空比由開(kāi)關(guān)電源的控制器來(lái)調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波，其幅值就可以通過(guò)變壓器來(lái)升高或降低。通過(guò)增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經(jīng)過(guò)整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩定，其工作過(guò)程與線(xiàn)性形式的控制器很類(lèi)似。也就是說(shuō)控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器，可以設計成與線(xiàn)性調節器相同。他們的不同之處在于，誤差放大器的輸出（誤差電壓）在驅動(dòng)功率管之前要經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓/脈沖寬度轉換單元。

開(kāi)關(guān)電源有兩種主要的工作方式：正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小，但是工作過(guò)程相差很大，在特定的應用場(chǎng)合下各有優(yōu)點(diǎn)。

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