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开关电源噪声的产生-内部干扰源

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开关电源噪声的产生-内部干扰源

        开关电源噪声的产生一般可分为两大类:一是开关电源内部元件形成的干扰;二是由于外界因素影响而使开关电源产生的干扰,这涉及到人为因素和自然因素。
        1.内部干扰源
        开关电源产生EMI的原理较多,其中由基本整流器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生的尖峰电压干扰是主要原因。
        基本整流器的整流过程是产生EMI最常见的原因。这是因为正弦波电源通过整流器后变成单向脉动电源,已不再是单一频率的电流,此电流波可分解为直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。实验结果表明,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,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。
        变压器型功率转换电路是开关稳压电源的核心,它产生的尖峰电压是一种有较大幅度的窄脉冲,其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是
        ①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时,大体上形成了矩形波,该波形含有许多高频成分。由于开关电源使用的元件参数(如开关管的存储时间、输出级的大电流、开关整流二极管的反向恢复时间)均会造成回路瞬间短路,产生很大短路电流。凡有短路电流的导线及这种脉冲电流流经的变压器和电感产生的电磁场都可形成噪声源。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。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管
        ②高频变压器。当原来导通的开关管关断时,高频变压器的漏感所产生的反电势E=
        Ldi/dt,其值与集电极的电流变化率(di/dt)成正比,与漏感量成正比,叠加在关断电压上形成关断电压尖峰,从而形成传导性电磁干扰,既影响变压器的初级,还会传导给配电系统,影响其他用电设备的安全和经济运行。开关电源中的变压器用作隔离和变压。但在高频的情况下,它的隔离是很不完全的,变压器层间的分布电容使开关电源中的高频噪声很容易在初次级之间传递。变压器对外壳的分布电容形成另一条高频通路,而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
        ③整流二极管。在输出整流二极管截止时有一个反向电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二极管称为硬恢复特性二极管,这种极管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,其频率可达几十兆赫pN型硅二极管用作高频整流时,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)。一且这个反向电流恢复时的电流斜率过大,流过线圈的电感就产生了尖峰电压
        ④电容、电感器和导线。开关电源由于工作在较高频率,会使低频的元器件特性发生变化,由此产生噪声
        ⑤SPWM逆变电源噪声。SPWM逆变电源的噪声主要形成于逆变回路中电流或电压的突变,突变的电流、电压又通过电磁场等传播到其他级。逆变桥工作在高频开关方式,通过开关管的高频脉冲电流在输入端产生高频脉冲电压,叠加在输入直流电压U1上,形成输入端差模噪声(电源引线之间的噪声)。逆变桥输出的高频SPWM开关信号通过电感L。、电容C。滤波后变成所需的正弦波电压,但滤波电路在滤除噪声的同时也增加了基波的损失,所以滤波器参数不宜取大,因而在输出正弦波电压中仍残留了高频开关信号脉动成分,成为输出差模噪声的一部分,在正弦波变化幅度大处尤为明显。另一方面,由于线路电感、分布电容的存在,在开关管通断时不可避免地要产生高频衰减的振荡,即振铃响应。这一振铃可通过变压器影响到输出端,若不采取相应措施,其振幅远高于前述高频脉动电压的幅值。同时变压器线圈的匝间分布电容相当于一个微分电容,对脉动的阶梯正弦信号上升沿有放大作用,形成又一脉冲型噪声电平。三者叠加在输出正弦波上形成不可忽视的差模噪声,开关电路中突变的电压又可成为共模噪声源,通过各种分布电容耦合在电源的输入、输出端形成共模噪声(电源线对地的噪声)
        从应用的角度上看,逆变电源的输出噪声可直接影响作为负载的电子设备的工作,即使通过了电磁兼容性测试的逆变电源,在实际应用时仍可能出现噪声电平超标的情况。其主要原因如下
        ①逆变电源带某些负载后滤波器参数发生变化,滤波效果降低。
        ②某些负载(含开关电源的负载)可将其开关噪声传导到其输入侧,即SPwM逆变电源的输出侧。
        ③输人、输出电缆平行敷设且距离很近,导致输入侧的噪声耦合到输出线上,尤其是大容量升压型逆变电源输入电流较大,噪声耦合严重
        ④逆变电源输出端两臂上的阻抗不对称,引起共模噪声电平不相等,两者之差就转变为差模噪声。如逆变电源输出滤波器采用单臂串接电感的方式,某些整流负载为缓和合闸时的冲击电流,而在其输入侧(即逆变电源的输出侧)单臂串接的扼流电感,使得两臂阻抗变得不对称。
        ⑤当逆变电源输入、输出侧共模滤波电路的接地线接至同一点时,就形成了地线环流,输入侧的共模噪声通过输出侧共模滤波电路的接地线,将共模噪声耦合到输出端,即使再加一级EMI滤波器也无效
        对上述开关电源产生的EMI所采取的抑制措施主要有正确选择半导体器件、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法。

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| 发布时间:2018.05.14    来源:电源适配器厂家
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