简述什么是开关电源干扰的抑制技术?

来源 http://www.21ic.com/app/power/201007/62028.htm

开关电源电磁干扰抑制技术时间：2010-07-22 09:27:42 来源：现代电子技术 作者：于淑芳 何忠跃 徐红丽
0 引言
随着现代电子技术和功率器件的发展，开关电源以其体积小，重量轻，高性能，高可靠性等特点被广泛应用于计算机及外围设备通信、自动控制、家用电器等领域，为人们的生产生活和社会的建设提供了很大帮助。但是，随着现代电子技术的快速发展，电子电气设备的广泛应用，处于同一工作环境的各种电子、电气设备的距离越来越近，电子电路工作的外部环境进一步恶化。由于开关电源工作在高频开关状态，内部会产生很高的电流、电压变化率，导致开关电源产生较强的电磁干扰。电磁干扰信号不仅对电网造成污染，还直接影响到其他用电设备甚至电源本身的正常工作，而且作为辐射干扰闯入空间，造成电磁污染，制约着人们的生产和生活。
国内在20世纪80一90年代，为了加强对当前国内电磁污染的治理，制定了一些与CISPR标准、IEC801等国际标准相对应的标准。自从2003年8月1日中国强制实施3C认证(china compulsory certification)工作以来，掀起了“电磁兼容热”，近距离的电磁干扰研究与控制愈来愈引起电子研究人员们的关注，当前已成为当前研究领域的一个新热点。本文将针对开关电源电磁干扰的产生机理系统地论述相关的抑制技术。

l 开关电源电磁干扰的抑制
形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备。因而，抑制电磁干扰应从这三方面人手。抑制干扰源、消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射、提高受扰设备的抗扰能力，从而改善开关电源的电磁兼容性能的目的。
1．1 采用滤波器抑制电磁干扰
滤波是抑制电磁干扰的重要方法，它能有效地抑制电网中的电磁干扰进入设备，还可以抑制设备内的电磁干扰进入电网。在开关电源输入和输出电路中安装开关电源滤波器，不但可以解决传导干扰问题，同时也是解决辐射干扰的重要武器。滤波抑制技术分为无源滤波和有源滤波2种方式。
1．1．1 无源滤波技术
无源滤波电路简单，成本低廉，工作性能可靠，是抑制电磁干扰的有效方式。无源滤波器由电感、电容、电阻元件组成，其直接作用是解决传导发射。开关电源中应用的无源滤波器的原理结构图如图1所示。

由于原电源电路中滤波电容容量大，整流电路中会产生脉冲尖峰电流，这个电流由非常多的高次谐波电流组成，对电网产生干扰；另外电路中开关管的导通或截止、变压器的初级线圈都会产生脉动电流。由于电流变化率很高，对周围电路会产生出不同频率的感应电流，其中包括差模和共模干扰信号，这些干扰信号可以通过2根电源线传导到电网其他线路和干扰其他的电子设备。图中差模滤波部分可以减少开关电源内部的差模干扰信号，又能大大衰减设备本身工作时产生的电磁干扰信号传向电网。又根据电磁感应定律，得E=Ldi／dt，其中：E为L两端的电压降；L为电感量；di／dt为电流变化率。显然要求电流变化率越小，则要求电感量就越大。
脉冲电流回路通过电磁感应其他电路与大地或机壳组成的回路产生的干扰信号为共模信号；开关电源电路中开关管的集电极与其他电路之间产生很强的电场，电路会产生位移电流，而这个位移电流也属于共模干扰信号。图1中共模滤波器就是用来抑制共模干扰，使之受到衰减。
1．1．2 有源滤波技术
有源滤波技术是抑制共模干扰的一种有效方法。该方法从噪声源出发而采取的措施(如图2所示)，其基本思想是设法从主回路中取出一个与电磁干扰信号大小相等、相位相反的补偿信号去平衡原来的干扰信号，以达到降低干扰水平的目的。如图2所示，利用晶体管的电流放大作用，通过把发射极的电流折合到基极，在基极回路来滤波。R1，C2组成的滤波器使基极纹波很小，这样射极的纹波也很小。由于C2的容量小于C3，减小了电容的体积。这种方式仅适合低压小功率电源的情况。另外，在设计和选用滤波器时应注意频率特性、耐压性能、额定电流、阻抗特性、屏蔽和可靠性。滤波器的安装位置要恰当，安装方法要正确，才能对干扰起到预期的滤波作用。

1．2 屏蔽技术和接地技术
采用屏蔽技术可以有效地抑制开关电源的电磁辐射干扰。屏蔽一般分为2种：一种是静电屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响；另一种是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、磁场以及交变电磁场的影响。屏蔽技术分为对发出电磁波部位的屏蔽和受电磁波影响的元器件的屏蔽。在开关电源中，可发出电磁波的元器件是指变压器、电感器、功率器件等，通常在其周围采用铜板或铁板作为屏蔽，以使电磁波产生衰减。
此外，为了抑制开关电源产生的辐射向外部发散，为了减少电磁干扰对其他电子设备的影响，应采取整体屏蔽。可完全按照对磁场屏蔽的方法来加工屏蔽罩，然后将整个屏蔽罩与系统的机壳和地连接为一体，就能对电磁场进行有效的屏蔽。然而在使用整体屏蔽时应充分考虑屏蔽材料的接缝、电线的输入／输出端子和电线的引出口等处的电磁泄露，且不易散热，结构成本大幅度增加等因素。
为使电磁屏蔽能同时发挥静电屏蔽的作用，加强屏蔽效果，同时保障人身和设备的安全，应将系统与大地相连，即为接地技术。接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路设计。这一过程是至关重要的，将接地和屏蔽正确结合起来可以更好地解决电磁干扰问题，又可提高电子产品的抗干扰能力。
1．3 PCB设计技术
为更好地抑制开关电源的电磁干扰，其印制电路板(PCB)的抗干扰技术尤为重要。为减少PCB的电磁辐射和PCB上电路间的串扰，要非常注意PCB布局、布线和接地。如减少辐射干扰是减小通路面积，减小干扰源和敏感电路的环路面积，采用静电屏蔽。而抑制电场与磁场的耦合，应尽量增大线间距离。
在开关电源中接地是抑制干扰的重要方法。接地有安全接地、工作接地和屏蔽接地等3种基本类型。地线设计应注意以下几点：交流电源地与直流电源地分开；功率地与弱电地分开；模拟电路与数字电路的电源地分开；尽量加粗地线。
1．4 扩频调制技术
对于一个周期信号尤其是方波来说，其能量主要分布在基频信号和谐波分量中，谐波能量随频率的增加呈级数降低。由于n次谐波的带宽是基频带宽的n倍，通过扩频技术将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上。由于基频和各次谐波能量减少，其发射强度也应该相应降低。要在开关电源中采用扩频时钟信号，需要对该电源开关脉冲控制电路输出的脉冲信号进行调制，形成扩频时钟(如图3所示)。与传统的方法相比，采用扩频技术优化开关电源EMI既高效又可靠，无需增加体积庞大的滤波器件和繁琐的屏蔽处理，也不会对电源的效率带来任何负面影响。

1．5 一次整流电路中加功率因数校正(PFC)网络
对于直流稳压电源，电网电压通过变压器降压后直接通过整流电路进行整流，所以整流过程中产生的谐波分量作为干扰直接影响交流电网的波形，使波形畸变，功率因数偏低。为了解决输入电流波形畸变和降低电流谐波含量，将功率因数校正(PFC)技术应用于开关电源中是非常必要的。PFC技术使得电流波形跟随电压波形，将电流波形校正成近似的正弦波，从而降低了电流谐波含量，改善了桥式整流电容滤波电路的输入特性，提高了开关电源的功率因数。其中无源功率因数校正电路是利用电感和电容等元件组成滤波器，将输入电流波形进行移相和整形过程来实现提高功率因数的。而有源功率因数校正电路是依据控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形的原理来实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压同步。两种方法均使功率因数提高，后者效果更加明显，但电路复杂。

2 结语
本文的设计方法正确，仿真结果正常，克服了传统方案中所存在的一些问题，使电磁干扰的抑制技术得到进一步优化。从开关电源电磁干扰产生的机理来看，有多种方式可抑制电磁干扰，除本文中分析的几种主要方法外，还可以采用光电隔离器、LSA系列浪涌吸收器、软开关技术等。抑制开关电源的电磁干扰，目的是使其能在各领域得到有效应用的同时，尽量减少电磁污染，实现了对电磁污染问题的有效治理。而在实际设计时，应全面考虑开关电源的各种电磁干扰，选用多种抑制电磁干扰的方法加以综合利用，使电磁干扰降到最低，从而提高电子产品的质量与可靠性。

高频开关电源应用中的高保真音频放大器的研究介绍

一般的高保真音频功率放大器电容滤波整流电源必须使用大容量的变压器，以确保高性能的电源系统体积较大， ，质量，重量和成本方面的问题。良好的线性稳压电源设计，性能高，并在一定程度上可以降低电源系统的质量。但由于稳压电路必须使用高品质的元件，这将进一步降低电力成本效益。同时，电源稳压电路管工作在放大区，功耗将导致电力系统的效率下降。

高频开关电源开关电源（以下简称）的特点，体积小，重量轻，效率高，被广泛应用于电子产品。然而，由于一般开关电源的音频功率放大器性能不理想，所以一直没有的高保真音频功率放大器中获得广泛应用。

深入的分析开关电源的音频功率放大器表现不佳的原因，是关键的音频专用开关电源的发展。实践证明，音频功率放大器电源和开关电源的特殊要求的特点，分析结果的基础上，开关电源设计，采取有针对性的措施，音频功率放大器表现非常好。实验和主观听音评价表明，它可以完全替代其他形式的权力，成为主流的高保真音频功放电源。

2，开关电源，电磁干扰并不是主要矛盾

一般认为，在开关电源电磁干扰的主要因素是在它的音质表现然而，这些干扰的频率成分的分析发现，这其实是一个误解。

开关电源的电磁干扰形成的原因有多种，包括以下几个方面：

（1）输入电路的电磁干扰的频率交流电经过整流滤波后的导通时间的基础上，峰值脉冲电流的方式来提供能量。这种脉冲电流由一系列的高次谐波成分。这些谐波分量沿着传输电路传导和辐射干扰。然而，这样的干扰是不唯一的一个开关电源，它也出现在一般使用的电源变压器的整流电路的电容滤波器。因此，这不是一种开关电源的干扰。

由开关电路（2）产生的电磁干扰

开关回路的开关电源，其中一个主要的干扰源产生的电磁干扰。开关电源电源转换管工作在高电流开关状态，其变换波形为矩形波。矩形波的奇次谐波，独特的谐波干扰。

事实上，过渡波形不能成为一个理想的矩形波，矩形波的开关功率晶体管的开启和关闭瞬间会被扭曲。开关功率三极管的负载是一个高频变压器，高频变压器的初级线圈和开关的寄生电容的电荷存储在即时切换导通，变压器初级会出现非常电流，会导致大的振幅峰值的矩形的初始部分上叠加波，其频带很宽，谐波丰富，会产生高频干扰。当原始饱和开关断开，变压器的漏磁通的漏电感中的能量的一部分，引起的能量的一部分，是不是从的线圈转移到二次线圈，存储和集电极（或漏极）电路的电容，电阻形成有尖峰衰减振荡上叠加的夹断电压，形成关闭电压尖峰脉冲，它的特征还在于由谐波丰富，并且频率是高的。这些谐波的干扰可以被发送到的输入和输出端子上形成的网格和负载传导干扰。另外，高频开关电流环路构成的高频变压器的初级线圈，开关和一个滤波电容可能产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。

（3）

次级整流电路的次级整流电路所产生的电磁干扰，一方面会产生类似的整流电路的谐波干扰，但由于转化频率比电源频率高得多，因此，这样的干扰频率要高得多。另一方面，二次侧整流二极管的正向传递中的PN结二极管的反向电压的电荷累积，使电荷累积会消失，反向交换。由于开关管变换器的频率较高，二极管由导通到关断时间是很短的。因此，在一个短的时间内，使所存储的电荷迅速消失，将的特定反向浪涌电流流经变压器，变压器的漏感和其他分布参数的影响下，将形成一个高频电磁干扰。

纵观这些干扰可以看到，他们是超过高频率的电源开关频率的干扰。文献[3-4]：开关电源的电磁干扰频率是高于的开关电源的开关频率。

EMC开关电源不好，肯定会影响无线电广播，电视，移动通信设备，无线电设备的正常工作。以上100 kHz的开关频率设计（一般使用MOS管实现200 kHz的开关频率），甚至如果不采取特殊措施，为这些干扰，也不会影响比较窄的通带音频功放工作正常。

事实上，正是由于开关电源提供范围广泛的电磁干扰，开关电源了几十年的发展过程中存在的，这也是为了减少电磁干扰方面取得了很大的努力。通过吸收电路，以减少电路中的电压和电流，使用软开关技术变换校正波形; EMI滤波技术的变化率，来抑制传导的开关电源的干扰;选择的驱动电路，控制开关是接通和关断时的电压和电流的变化率，优选的组分（包括功率管，二极管，变压器等）;合理的印刷电路板布局，布线和接地之间的电磁辐射的印刷电路板和印刷电路板电路，以减少串扰，加强盾。设计，以满足电磁兼容（EMC）标准的开关电源并不困难。

3音频功率放大器开关电源的形式选择

音频功率放大器的功率要求的大量的动力储备，以应付庞大的动态，只有这样，交响乐经常在负载快速变化的电源供应器的响应速度必须非常快恢复这些高频信号的阵阵。大的功率储备和高反应速度的设计音频功率放大器，开关电源的两个基本原则。开关电源通常没有特殊的考虑，在这两个方面，这是他们所无法适应的音频功率放大器的根本原因。事实表明，按照这两个原则设计的音频功率放大器性能的开关电源是优秀的。

开关电源，高频变换电路多种形式，变换电路推挽，全桥，半桥，单端正激和单端反激式和其他形式。半桥转换器电路，更适合于使用在瞬时输出功率，大动态范围的音频功率放大器输出功率远大于普通的单端电路，另外，在高频变压器的初级在整个周期流过电流，能防止高频变压器磁芯出现单向偏磁磁饱和发生时，更充分地使用的核心的体积，在相同功率下，可用较小的芯。同时它克服的推挽式电路，功率晶体管的匹配要求的程度较低，低晶体管的击穿电压和输入滤波电容器电压的要求的缺点。再加上它比全桥变换器的结构简单，成本低，所以它是一个优选的形式变换的音频放大器的开关电源。

稳压器开关电源是通过调整该管的电源开关的占空比来实现。常用于改变占空比控制模式有两种类型：即，脉冲宽度调制（脉冲宽度调制，PWM）和脉冲频率调制（脉冲频率调制PFM）。根据开关电源的输出电压的脉冲宽度调制器，来自动改变的方波脉冲的宽度，从而改变功率晶体管的导通时间，以稳定的输出电压的开关电源。脉冲频率调制器，以维持恒定的导通时间，根据开关电源的输出电压，改变占空比的方波的频率来自动改变。随着操作频率的频率控制模式被改变时，过滤器的后级电路的设计是比较困难的，因此，开关电源的音频功率放大器也与大部分的开关电源，作为合适的PWM控制。

使用电压模式控制电路的开关电源。其基本的工作过程是：比较电路，采样后的输出电压与基准电压进行比较，比较结果时，将产生某些因素导致的输出电压的变化的误差信号，由开关电路的脉冲宽度放大的误差信号的控制，输出电压的稳定化的目的。这种控制方法[2]分析比较放大电路线性稳压电源类似的缺点：误差会影响瞬态响应的功率放大电路中，当负载快速变化的调控网络的滞后性，电源的输出电压会出现瞬间下跌。晶体管音频功率放大器是等效负载阻抗迅速变化的电压型开关电源的控制电路无法跟踪这个瞬息万变的，所以它是不适合的音频功率放大器。

从电源的输出端子，输出电压是相对稳定的，△U是总是小的，必须被放大的误差信号来驱动的PWM电路。另一方面，输出电流，由于整体功率电阻是很小的，所以，只要有一个微小的△U将反应是非常△I如果△I直接施加到PWM电路，它的使用控制的脉冲宽度， ，以调节输出电压，并跳到所述误差放大链路，将大大提高电源的响应速度。即，电流控制电路。因此，电流型开关电源的控制电路（最多为10μs水平）的瞬态响应是远远优于所述控制电路的电压（ms级别只）。由于电源的内部电阻是不是线性电阻器，电流控制是更难以实现高精度。因此，晶体管音频功率放大器，开关电源也应介绍两种控制模式。

开关的干扰虽然它是不影响声音质量的主要因素，但为了达到电磁兼容标准，采取了各种传统的干扰抑制措施，再加上软开关技术。图1是一个流程图，为音频功率放大器的开关电源。

按照图1 000W±70V音频功率放大器开关电源，无论是从测试条件或实际性能的角度来看都很优秀的设计。

4 100 Hz纹波测试

开关电源的首次直接交流整流滤波，开关转换器，次级整流PWM控制调节器。在前面的整个过程中会产生频率为100 Hz的纹波，这听起来可能造成污染的纹波分量大小是反映电能质量的一个重要指标。由于滤波电容一般都不大（2000μF），重型前产生的纹波是比较强的，这个纹波的减排工艺落后，但并不能完全消除它。图2-3是在负载电源纹波电流的定量测试结果，测量方法和文献[2]一样。

从图中可以看出，价值大约20mV的纹波PP比文献[2]中的线性稳压器高5倍，但仍然不小，尤其是在情况下，一个相对较小的负载电流纹波较小，实践表明，在实际应用中的开关功率晶体管音频功率放大器，并不会造成一个100 Hz的交流声干扰。

5开关干扰试验

图4-5传导干扰的负载侧的电源负载电流的4一个定量的测试结果，测量方法，和纹波电压同样地测量。可以看出，从图4中，主要由约1 V（PP）的干扰，而不是太大。从图5中可以看出，主要的干扰频率为约7兆赫，滞后远音频范围内，也不会影响的音频功率放大器的工作。

观察开关电源0.5米，在连接电脑，电视，传导和辐射干扰的总电源板没有找到他们，FM收音机将不会受到影响任何方式离开关闭电源，在0.5米;然而，在左侧1米处的功率的中波广播将是明显的干扰，且抗干扰能力差能力的调幅波（一般电子启动器的荧光灯会严重干扰波兰电台的工作），也与一个开关电源实验没有采取屏蔽措施有关。

6短暂的交流负载特性试验

功率瞬态AC负载特性比静态负载特性，以更好地反映电源的性能。通过其的测试可以清楚地反映在电源的动态特性，并能计算出在各种情况下的电源的动态内阻。具体的测量方法与文献[2]相似。

测零信号输入电源电压±70.88 V.访问功率放大器，功率放大器的负载RZ 8Ω高功率电阻。信号的频率为50赫兹，设置在两端的波形的观察的RZ信号发生器和信号放大器的输入用示波器，调整的信号的振幅，即将发生削波失真测量RZ两端的电压。测得的峰值电压为68 V时，对应于48伏交流电压的有效值，在图6中所示，并因此为288 W的固定输入电压的最大正弦波输出功率，从而使中的功率放大器的最大正弦输出状态，改变信号的频率，并在不同的频率来测量的电源电压的瞬态条件。

瞬间变化的正，负电源的情况很相似，只给出正电源瞬间变化的实验结果。

示波器水平基线，上面的曲线的一部分表示在图7中，在负半周期的工作状态中的功率放大器，则NPN型功放管的偏压降低，直到截止，因此，正的电源电压将上升水平低于基线曲线部的所述功率放大器的正半周期的工作状态中，正电源负载增加时，电压下降。下降到0.7 V，峰值电流为8.5 A在68 V / 8Ω功率动态电阻为4Ω0.082。

图8至11到50赫兹，500赫兹，5千赫，50千赫的瞬间的电源电压的变化，根据这些数据，可以计算出在各种频率下的功率负载动态电阻。计算结果示于表1。

计算结果表明，随着负载的增加频率，动态电阻的开关电源将显著减少。当的频率为20 Hz的近似线性的稳压电源的内阻在文献[2]，内部电阻的开关电源50赫兹，500赫兹的开关电源，近似线性的稳压电源的内部电阻的内部电阻的1.3倍50千赫的内部电阻的内部电阻的电源，5千赫的开关频率下降到线性稳压电源24％的内部电阻，是只有约10％的线性稳压器的电源的内部电阻。这表明，该开关电源具有非常低的内部电阻的高频功率电阻（在频率为50 kHz，10-3Ω数量级）。电源原因有这样的频率特性，它是可能的的PWM电路的动作也受的△I /△t的（电流变化率）的影响有关。

虽然低频率的内部电阻的电源相关文献[2]提供线性稳压电源是高的，但传统的电容滤波相全波整流电路仍然是非常小的。

因此，该开关电源，预计将有上佳表现的高保真音频功率放大器。

7的实际试听性能

试听设备和文献[2]基本相同，但失真功率放大器变为288 W 162 W.这是因为输出至±70.88 V电压的开关电源供电，并用它来驱动OCL功率放大器失真功率大得多。功率放大器200W的输出功率测量时，这种失真校正技术，非线性失真小于1 kHz的0.007％。

对比功率[2]中提到的传统的核心所形成的桥式整流1 500W变压器的电容滤波电源变压器的二次利用双49 V自来水，过滤负载直流电压约±68 V，接近转换电源电压。试听的节目源，包括大编制交响乐，弦乐，美声，流行和其他类型的高品质的CD，SACD的新来源。

（1）静态对比度

将被转移到200 mA静态电流的功放，无论是传统电容滤波整流桥电源或开关电源供电，静态背景很安静，耳朵贴近的低音炮也无法听到的嗡嗡声，但耳朵贴近高音喇叭鑫均匀高频噪声。如果功率放大器的静态电流调整到约1.5 A传统电容滤波整流桥堆电源，耳朵贴近低音炮可以听到的嗡嗡声。但还是不能使用开关电源时，听到的嗡嗡声。其原因是，负载较重的和更大的电容滤波电路的脉动分量。开关电源，负荷增加，也导致一次整流滤波的纹波成分是较大的，你可以减小纹波背后的改造，电压调节器电路，使负荷较重的纹波也不会改变显着。

（2）动态对比度

播放各种节目源，重复A，B，对比，可以发现在开关电源中低音的影响，宽松的物理意义;中音的密度，纯度，特别是高音的渗透和复杂性在各方面明显的赢家。没有任何迹象显示任何开关干扰，影响音质。

特别准备的大型交响乐，开关电源，高潮迭起的音乐，而的管弦乐合奏大声喧哗，但也清楚地听到那微弱的声音，如把比分球员的呼吸的声音的声音，细节丰富，准确的声场定位和强大的存在。尤其是那些在近几年的记录SACD片源，大动态的感觉，整个乐队演奏背景非常安静。与传统的电容滤波桥式整流电源，你必须把重点放在捕捉，以便找到一些微弱的声音，声场定位的高潮模糊，整个乐队演奏背景宁静严重下降，让人感觉打似乎是在嘈杂的环境。

如果线性稳压电源开关电源与文献[2]中的小型和中型体积相比，它们之间的差别是非常小的，而且一般不会遇到非常困难的听到它们之间的区别，但在A，B或细微的差别，如低音鼓的声音，有力的一些线性稳压电源的对比度，高安全性，可以发现真正的音响发烧友似乎是稍长的声音韵，开关电源，低音收益率稍快的低音位置略高。 Alt键区方面，圆润的线性稳压电源的声音稍微好一点，开关电源中的分辨能力略强。总体而言，虽然风格是略有不同，但没有竞争，两者的性能是相当在同一水平。

我所描述的开关电源的输出电压比文献[2]描述了一个线性稳压电源输出电压高得多的开关电源驱动功率放大器可以得到更大的失真输出功率。相反，在大音量的情况下，轻松地开关电源最大推力。但这样的比较是不公平的，如果两个电源性能的线性稳压电源的输出电压高达±70 V，预计将是一场平局（因为变压器的次级设计电压高振没有这种比较）。

8结论成功设计的开关电源，其性能远远超过相同容量的传统电容滤波电源，质量小于传统的1 / 10的电源。通过深入的研究，以进一步提高了控制的PWM电路，减少低频率负载动态电阻的功率。其性能预计将超过线性稳压电源。另外开关电源具有效率高，成本低，体积小的优点，是完全可能的，它应该成为一种主流的高保真音频功放电源。