开关电源 噪音

开关电源概述

开关(guan)模(mo)式(shi)电(dian)源(yuan)(yuan)（Switch Mode Power Supply，简称SMPS），又(you)称交换(huan)式(shi)电(dian)源(yuan)(yuan)、开关(guan)变换(huan)器，是(shi)一种高(gao)频化电(dian)能(neng)转(zhuan)(zhuan)换(huan)装(zhuang)置，是(shi)电(dian)源(yuan)(yuan)供应器的(de)(de)一种。其功能(neng)是(shi)将一个位准的(de)(de)电(dian)压，透过不同(tong)形(xing)式(shi)的(de)(de)架(jia)构(gou)转(zhuan)(zhuan)换(huan)为用(yong)户端所需求(qiu)的(de)(de)电(dian)压或电(dian)流(liu)(liu)。开关(guan)电(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)输入多半是(shi)交流(liu)(liu)电(dian)源(yuan)(yuan)（例如(ru)市电(dian)）或是(shi)直流(liu)(liu)电(dian)源(yuan)(yuan)，而输出多半是(shi)需要(yao)直流(liu)(liu)电(dian)源(yuan)(yuan)的(de)(de)设(she)备，例如(ru)个人电(dian)脑，而开关(guan)电(dian)源(yuan)(yuan)就进行(xing)两者之间电(dian)压及电(dian)流(liu)(liu)的(de)(de)转(zhuan)(zhuan)换(huan)。

开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源不同于线(xian)(xian)性(xing)电(dian)源，开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源利用的(de)(de)切(qie)(qie)换(huan)晶(jing)体(ti)管(guan)多半(ban)是(shi)(shi)在全开(kai)模式(shi)（饱和区）及全闭(bi)模式(shi)（截止(zhi)区）之(zhi)间(jian)切(qie)(qie)换(huan)，这两个模式(shi)都有(you)低耗(hao)散的(de)(de)特点，切(qie)(qie)换(huan)之(zhi)间(jian)的(de)(de)转(zhuan)换(huan)会有(you)较(jiao)高的(de)(de)耗(hao)散，但时(shi)间(jian)很短，因此比(bi)较(jiao)节省能源，产生(sheng)废热较(jiao)少(shao)。理想上，开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源本身是(shi)(shi)不会消(xiao)耗(hao)电(dian)能的(de)(de)。电(dian)压(ya)稳压(ya)是(shi)(shi)透过调整晶(jing)体(ti)管(guan)导通及断路的(de)(de)时(shi)间(jian)来(lai)达到。相反的(de)(de)，线(xian)(xian)性(xing)电(dian)源在产生(sheng)输出电(dian)压(ya)的(de)(de)过程中，晶(jing)体(ti)管(guan)工作在放大区，本身也(ye)会消(xiao)耗(hao)电(dian)能。开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源的(de)(de)高转(zhuan)换(huan)效率是(shi)(shi)其一大优点，而且(qie)因为开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源工作频(pin)率高，可以使用小尺(chi)寸(cun)、轻重量的(de)(de)变(bian)压(ya)器，因此开(kai)关(guan)(guan)(guan)电(dian)源也(ye)会比(bi)线(xian)(xian)性(xing)电(dian)源的(de)(de)尺(chi)寸(cun)要小，重量也(ye)会比(bi)较(jiao)轻。

若电源的高(gao)(gao)效率(lv)(lv)、体积及(ji)重量是考虑(lv)重点(dian)时，开关(guan)电源比线性电源要好。不过开关(guan)电源比较(jiao)复杂，内部晶体管会(hui)频(pin)繁(fan)切换(huan)，若切换(huan)电流尚加以处理，可(ke)能(neng)会(hui)产生噪声及(ji)电磁干扰(rao)影响其他设备，而且若开关(guan)电源没有特别设计，其电源功率(lv)(lv)因数可(ke)能(neng)不高(gao)(gao)。

开关电源的主要用途

开关电源产(chan)(chan)品(pin)广泛应用于工业自(zi)动化控(kong)制(zhi)、军工设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、科研设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、LED照明、工控(kong)设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、通讯设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、电力设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、仪器(qi)仪表、医疗设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)、半导(dao)体制(zhi)冷制(zhi)热、空气净化器(qi)，电子冰箱(xiang)，液晶(jing)显(xian)示器(qi)，LED灯具，通讯设(she)(she)备(bei)(bei)(bei)，视听产(chan)(chan)品(pin)，安防监控(kong)，LED灯带，电脑机箱(xiang)，数码产(chan)(chan)品(pin)和仪器(qi)类等领域。

开关电源的噪音来源

噪音来源于PCB设计、电路振荡和磁元件三方面：

1、电路(lu)震荡

电(dian)源(yuan)输(shu)出有很大(da)的低频(pin)稳(wen)波。多(duo)(duo)是电(dian)路(lu)稳(wen)定(ding)余(yu)度不够引起。理论(lun)上可(ke)以(yi)用系统(tong)控制理论(lun)中的频(pin)域(yu)法(fa)/时域(yu)法(fa)或劳斯判据做理论(lun)分(fen)(fen)析。现在，可(ke)以(yi)用计算机(ji)仿真方(fang)法(fa)方(fang)便的验(yan)证(zheng)电(dian)路(lu)稳(wen)定(ding)性，以(yi)避免自(zi)激振荡发生，有多(duo)(duo)款软件(jian)可(ke)以(yi)用。对于已经(jing)做好的电(dian)路(lu)，可(ke)以(yi)增加(jia)输(shu)出滤波电(dian)容(rong)(rong)或电(dian)感、改变(bian)信号反馈位(wei)置、增加(jia)PI调节的积(ji)分(fen)(fen)电(dian)容(rong)(rong)、减少(shao)开环放大(da)倍数等(deng)方(fang)法(fa)改善。

2、PCB设计

主(zhu)要(yao)是EMI噪(zao)音(yin)引起，射(she)频噪(zao)音(yin)调整PI调节器，使输出误差信号(hao)中包(bao)含(han)扰动(dong)。主(zhu)要(yao)查看高(gao)频电(dian)容是否离开关元(yuan)件太远，是否有大的C形环绕布线(xian)等(deng)。

控制电(dian)(dian)路(lu)的(de)PCB线(xian)至(zhi)少有两点以(yi)(yi)上和(he)功率(lv)电(dian)(dian)路(lu)共用。PCB覆铜线(xian)并非理想导体，它总是可以(yi)(yi)等效成(cheng)电(dian)(dian)感或电(dian)(dian)阻体，当功率(lv)电(dian)(dian)流(liu)流(liu)过了和(he)控制回路(lu)共用的(de)PCB线(xian)，在(zai)(zai)PCB上产生(sheng)电(dian)(dian)压降落(luo)，控制电(dian)(dian)路(lu)各(ge)节(jie)点分散在(zai)(zai)不同位(wei)置时，功率(lv)电(dian)(dian)流(liu)引起的(de)电(dian)(dian)压降对(dui)控制网(wang)络(luo)家(jia)入了扰动，使电(dian)(dian)路(lu)发(fa)(fa)出噪音。这(zhei)显现多发(fa)(fa)生(sheng)在(zai)(zai)功率(lv)地线(xian)上，注意单点接地可以(yi)(yi)改善。

3、磁(ci)元件(jian)

磁(ci)(ci)材有(you)磁(ci)(ci)至应变的(de)特点，漆包线也会在泄露磁(ci)(ci)场中受到电动(dong)力的(de)左右，这些因素的(de)共同作用下，局部(bu)会发生泛(fan)音或(huo)1/N频(pin)率的(de)共振。改变开关频(pin)率和(he)磁(ci)(ci)元件浸漆可以(yi)改善(shan)。

噪音干扰源

由以(yi)上分析可以(yi)知道开关电(dian)源(yuan)中(zhong)的(de)(de)噪(zao)声(sheng)干(gan)扰(rao)源(yuan)很多,干(gan)扰(rao)途径是多种多样的(de)(de),影响(xiang)较大的(de)(de)噪(zao)声(sheng)干(gan)扰(rao)源(yuan)可以(yi)归纳为以(yi)下三种：

1、二极(ji)管的反向恢复时间引起的干扰。

2、开关管工作时产生的谐波干扰。

功率(lv)开(kai)关管在导(dao)通时(shi)流过(guo)较(jiao)大的(de)(de)脉冲(chong)电流，在截止期(qi)间，高频变压(ya)器绕组漏感(gan)引起的(de)(de)电流突变，也会产生尖峰干扰。

3、交流输入回路产(chan)生的(de)干扰。

开关电(dian)(dian)源输入端整(zheng)(zheng)流(liu)(liu)(liu)管在(zai)反向恢复(fu)期(qi)间也会(hui)引起高频衰减振(zhen)荡产(chan)生干(gan)扰。一般(ban)整(zheng)(zheng)流(liu)(liu)(liu)电(dian)(dian)路(lu)后面总要(yao)接(jie)比较(jiao)大(da)的(de)(de)滤波电(dian)(dian)容(rong)，因而(er)整(zheng)(zheng)流(liu)(liu)(liu)管的(de)(de)导(dao)通(tong)角较(jiao)小，会(hui)引起很大(da)的(de)(de)充电(dian)(dian)电(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)，使交(jiao)流(liu)(liu)(liu)输入侧的(de)(de)交(jiao)流(liu)(liu)(liu)电(dian)(dian)流(liu)(liu)(liu)发生畸变，影响(xiang)了电(dian)(dian)网(wang)的(de)(de)供电(dian)(dian)质(zhi)量(liang)。另外，滤波电(dian)(dian)容(rong)的(de)(de)等效串(chuan)联电(dian)(dian)感对产(chan)生干(gan)扰也有较(jiao)大(da)的(de)(de)影响(xiang)。

所有(you)这些干(gan)(gan)扰(rao)(rao)按(an)传(chuan)(chuan)播途径可(ke)以分为传(chuan)(chuan)导(dao)干(gan)(gan)扰(rao)(rao)和辐射(she)干(gan)(gan)扰(rao)(rao)两类(lei)。开关电(dian)(dian)(dian)源产生(sheng)(sheng)的尖峰干(gan)(gan)扰(rao)(rao)和谐波干(gan)(gan)扰(rao)(rao)能(neng)量通过开关电(dian)(dian)(dian)源输入输出(chu)线传(chuan)(chuan)播出(chu)去(qu)形成的干(gan)(gan)扰(rao)(rao)称为传(chuan)(chuan)导(dao)干(gan)(gan)扰(rao)(rao)。谐波和寄生(sheng)(sheng)振荡的能(neng)量，通过输入输出(chu)线传(chuan)(chuan)播时，在空间产生(sheng)(sheng)电(dian)(dian)(dian)场和磁场，这些通过电(dian)(dian)(dian)磁辐射(she)产生(sheng)(sheng)的干(gan)(gan)扰(rao)(rao)称为辐射(she)干(gan)(gan)扰(rao)(rao)。

正(zheng)因为开关电(dian)源(yuan)本身就是一个(ge)强干(gan)扰源(yuan)、所以(yi)除(chu)了电(dian)路上采(cai)取措施抑(yi)制其电(dian)磁干(gan)扰产生(sheng)外，还应对开关电(dian)源(yuan)进行有效的(de)电(dian)磁屏蔽(bi)，滤波(bo)以(yi)及(ji)接地。

开关电源噪音抑制的方法

形成电磁(ci)干扰(rao)(rao)(rao)(rao)的三要素是(shi)干扰(rao)(rao)(rao)(rao)源、传(chuan)播途径(jing)和(he)受扰(rao)(rao)(rao)(rao)设(she)(she)备，因而，抑(yi)制电磁(ci)干扰(rao)(rao)(rao)(rao)也(ye)应(ying)该从这(zhei)三个方面着手。首(shou)先应(ying)该抑(yi)制干扰(rao)(rao)(rao)(rao)源，直接消除干扰(rao)(rao)(rao)(rao)原因;其(qi)次是(shi)消除干扰(rao)(rao)(rao)(rao)源和(he)受扰(rao)(rao)(rao)(rao)设(she)(she)备之(zhi)间(jian)的耦合和(he)辐射，切断电磁(ci)干扰(rao)(rao)(rao)(rao)的传(chuan)播途径(jing);第(di)三是(shi)提高受扰(rao)(rao)(rao)(rao)设(she)(she)备的抗扰(rao)(rao)(rao)(rao)能力，降(jiang)低其(qi)对噪声的敏感度。第(di)三点不是(shi)本文(wen)讨论(lun)的范(fan)围(wei)。

采用功(gong)(gong)率因(yin)数校(xiao)正（PFC）技(ji)术(shu)和软开关功(gong)(gong)率变换技(ji)术(shu)能(neng)大大降(jiang)低噪声幅度。

1、电路上的措(cuo)施(shi)

开关电(dian)源产生(sheng)电(dian)磁(ci)干(gan)扰的(de)主要原因是电(dian)压(ya)和(he)(he)电(dian)流的(de)急剧变(bian)化，因此需要尽可能(neng)地降低(di)电(dian)路(lu)(lu)中(zhong)的(de)电(dian)压(ya)和(he)(he)电(dian)流的(de)变(bian)化率（du/dt、di/dt）。采(cai)用(yong)吸(xi)收(shou)(shou)电(dian)路(lu)(lu)也是抑制电(dian)磁(ci)干(gan)扰的(de)好办法。吸(xi)收(shou)(shou)电(dian)路(lu)(lu)的(de)基本原理就是开关断开时为(wei)开关提供旁(pang)路(lu)(lu)，吸(xi)收(shou)(shou)蓄积(ji)在寄(ji)生(sheng)分布参数(shu)中(zhong)的(de)能(neng)量(liang)，从(cong)而抑制干(gan)扰发生(sheng)。常用(yong)的(de)吸(xi)收(shou)(shou)电(dian)路(lu)(lu)有RC、RCD、LC无(wu)源吸(xi)收(shou)(shou)网络(luo)和(he)(he)有源吸(xi)收(shou)(shou)网络(luo)。

滤(lv)(lv)波(bo)(bo)是抑(yi)制(zhi)(zhi)传(chuan)导干扰的一种很好的方(fang)法。例如(ru)(ru)，在(zai)电(dian)源(yuan)输入(ru)端接上滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器可(ke)以(yi)抑(yi)制(zhi)(zhi)开关电(dian)源(yuan)产生(sheng)并(bing)向(xiang)电(dian)网反馈的干扰，也可(ke)以(yi)抑(yi)制(zhi)(zhi)来(lai)自电(dian)网的噪声对(dui)电(dian)源(yuan)本(ben)身的侵害。在(zai)滤(lv)(lv)波(bo)(bo)电(dian)路中，还采用(yong)很多专用(yong)的滤(lv)(lv)波(bo)(bo)元件，如(ru)(ru)穿心(xin)电(dian)容(rong)器，三端电(dian)容(rong)器，铁(tie)氧体(ti)磁环，他们能够改(gai)善电(dian)路的滤(lv)(lv)波(bo)(bo)特性。恰当的设计或选择滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器，并(bing)正确(que)地安(an)装(zhuang)滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器，是抗干扰技术的重要组成部分。

2、结构上的措(cuo)施：屏蔽

屏(ping)蔽是(shi)解(jie)(jie)决(jue)电磁兼容问题(ti)的(de)(de)重要手段之(zhi)一(yi)，目的(de)(de)是(shi)切断电磁波的(de)(de)传播途径。大部分电磁兼容问题(ti)都可(ke)以(yi)通(tong)过电磁屏(ping)蔽来解(jie)(jie)决(jue)。用电磁屏(ping)蔽的(de)(de)方法解(jie)(jie)决(jue)电磁干扰问题(ti)的(de)(de)最大好处是(shi)不(bu)会影响电路的(de)(de)正常工作。

屏蔽(bi)(bi)分为电屏蔽(bi)(bi)、磁屏蔽(bi)(bi)和电磁屏蔽(bi)(bi)。

对(dui)开关(guan)电(dian)源来(lai)说，主要(yao)是要(yao)做好机(ji)壳的屏(ping)(ping)蔽、高(gao)频(pin)变压器的屏(ping)(ping)蔽、开关(guan)管和整流二极(ji)管的屏(ping)(ping)蔽以及(ji)控制、驱动电(dian)路的屏(ping)(ping)蔽等，并要(yao)通过(guo)各种方(fang)法提(ti)高(gao)屏(ping)(ping)蔽效能。

开关电源的工作原理详解

开关电源的伯特图

开关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)的(de)(de)工作(zuo)过(guo)程相当容(rong)易理解，在(zai)线性电(dian)源(yuan)中，让(rang)功(gong)率(lv)晶(jing)体(ti)管工作(zuo)在(zai)线性模(mo)式，与线性电(dian)源(yuan)不(bu)同(tong)的(de)(de)是(shi)，PWM开关(guan)(guan)电(dian)源(yuan)是(shi)让(rang)功(gong)率(lv)晶(jing)体(ti)管工作(zuo)在(zai)导通和关(guan)(guan)断的(de)(de)状态，在(zai)这(zhei)两种状态中，加在(zai)功(gong)率(lv)晶(jing)体(ti)管上(shang)的(de)(de)伏(fu)-安乘积是(shi)很(hen)小(xiao)(xiao)的(de)(de)（在(zai)导通时(shi)，电(dian)压低，电(dian)流(liu)大；关(guan)(guan)断时(shi)，电(dian)压高，电(dian)流(liu)小(xiao)(xiao)）/功(gong)率(lv)器(qi)件上(shang)的(de)(de)伏(fu)安乘积就是(shi)功(gong)率(lv)半导体(ti)器(qi)件上(shang)所产(chan)生的(de)(de)损(sun)耗。

与线性电(dian)(dian)源相(xiang)比，PWM开(kai)关(guan)电(dian)(dian)源更(geng)为有效(xiao)的(de)工作(zuo)过(guo)程(cheng)是通过(guo)“斩波”，即把输入的(de)直流电(dian)(dian)压(ya)(ya)斩成幅值等(deng)于输入电(dian)(dian)压(ya)(ya)幅值的(de)脉冲电(dian)(dian)压(ya)(ya)来实现(xian)的(de)。

脉冲的占(zhan)空比由开关电源的控制器来(lai)调节。一旦输入电压被(bei)斩成交流(liu)方(fang)波(bo)，其(qi)幅(fu)值就(jiu)可(ke)以通过(guo)变(bian)压器来(lai)升(sheng)高或降低。通过(guo)增加变(bian)压器的二次绕组(zu)数就(jiu)可(ke)以增加输出(chu)的电压值。最后这(zhei)些交流(liu)波(bo)形(xing)经过(guo)整流(liu)滤波(bo)后就(jiu)得到直流(liu)输出(chu)电压。

控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)主(zhu)要目的(de)(de)是保持输出(chu)电(dian)压(ya)(ya)稳定，其工作过程与线性形式的(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)很类似(si)。也(ye)就是说控(kong)(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)的(de)(de)功能块、电(dian)压(ya)(ya)参(can)考和误差放(fang)大器(qi)，可以设(she)计成与线性调节器(qi)相同。他(ta)们(men)的(de)(de)不同之处在(zai)于(yu)，误差放(fang)大器(qi)的(de)(de)输出(chu)（误差电(dian)压(ya)(ya)）在(zai)驱(qu)动(dong)功率管之前要经过一(yi)个电(dian)压(ya)(ya)/脉冲宽度转(zhuan)换单元。

开关电源(yuan)有两种主要的工(gong)(gong)作方式(shi)：正激(ji)式(shi)变换和升(sheng)压式(shi)变换。尽管它们各(ge)部(bu)分(fen)的布置差(cha)别很(hen)小，但是工(gong)(gong)作过程相差(cha)很(hen)大，在特定的应(ying)用场合下各(ge)有优点(dian)。

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