开关电源的抗干扰技术

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1、开关电源的抗干扰技术上网时间： 2011-07-01 中心议题： 开关电源的干扰源和抗干扰措施解决方案： 在电路布局上优化布局 合理接地采用适当的电路隔离方式单片机的开关电源工作时， 其内部电压和电流波形都以非常短的时间上升和下降， 所以开关 电源本身就是一个射频干扰产生源。 开关电源产生的干扰， 按噪声干扰源种类来分， 可以分 为尖锋干扰和谐波干扰； 若按耦合通路来分， 可分为传导干扰和辐射干扰， 开关电路框图如 图 1。1 开关电源的主要干扰1.1 一次整流回路的干扰开关电源中的主要噪声干扰之一是由二极管断开时的反向恢复现象引起的， 一次整流回路中 的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流

2、过， 它受反偏电压而转向截止时，由于 PN 结 中有较多的载流子积累， 因而在载流子消失前的一段时间， 电流会反向流动， 从而导致很大 的电流变化。即一次整流回路的干扰。1.2 开关回路的干扰电源工作时， 开关处于高频通断状态， 在高频电流环路中， 可能会产生较大的空间辐射噪声。1.3 二次整流回路的干扰电源工作时， 整流二极管处于高频通断状态， 由脉冲变压器、 整流二极管以及滤波电容构成 的高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。1.4 控制回路的干扰控制回路中的脉冲控制信号是主要的干扰源。1.5 分布电容引起的噪声干扰2 抗干扰措施降低干扰是开关电源稳定工作的前提，其主要方法如下。2.1 在

3、电路设计上要优化布局 对于开关电路来说，合理的布局可以对电路中产生的辐射噪声加以抑制。2.1.1 元器件布局时的抗干扰措施 （1）根据印制板的安装方式，将散热元器件如功率开关器件、稳压器、变压器等安装在印 制板的上方，以利于散热；热敏元件应尽量远离散热元件。（2）在高频电路中，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互 间的电磁干扰；尽量减小由高频脉冲电流所包围的面积。（3）输入和输出元件应尽量远离。（4）在双面印制板设计中，适当加入滤波电容，以便减小电源线阻抗，缩小电流环路，使 电路工作更加稳定可靠。（5）尽量减少环路面积。这是减少辐射噪声的重要途径，为此，要求开关电源的元

4、件彼此 间紧密排列。原创文章： 【请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。 、开关电源的抗干扰技术上网时间： 2011-07-01如图 2 为环路面积较大的开关电路，图 3 为环路面积较小的开关电路。2.1.2印制板（PCB）布线抗干扰的措施印制电路板的抗干扰设计不仅与布局有关， 而且与布线也有相当大的关系。 布线的原则如下： （ 1 ）相邻电路之间走线尽量避免平行；若平行走线无法避免，则应在平行信号线之间加一 条起屏蔽作用的地线，且尽量加大平行信号线间距，以降低两线之间电磁干扰。（ 2）控制回路与输出回路分开，采用单点接地方式。（3）根据 PCB 板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线，

5、减少环路阻抗；同时使电源线、 地线的走向和数据传递的方向一致，这有助于增强抗噪声能力；对于密度很高的PCB 板，采用多层板； 在双面板设计中， 还应该在电源线和地线之间留出一定的空间，以便安装高频特性好的去耦电容。（ 4）印制线不要突然拐角，以免发生反馈耦合。（ 5）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。2.2 合理接地电源系统的接地包括公共参考接地和安全及抗干扰接地。 在电路设计中， 要尽量减小接地回 路中的公共电阻， 且应遵循“一点接地” 原则。如果形成多点接地， 会出现闭合的接地环路， 从而在磁力线穿过回路时将产生磁感应噪声。 通常利用一个导电平面作为参考地， 将接地的 各部分

6、就近接到该参考地上。2.2.1 接地过程应遵循的规则（1）交流电源地与直流电源地分开。一般情况下交流电源的零线是接地的，且该零线上往 往存在很多干扰， 如果交流电源地与直流电源地不分开， 将对直流电源和直流电路的正常工 作产生影响。通常采用“浮地技术” 将交流电源地与直流电源地分开， 这样可以隔离来自交 流电源地线的干扰。（2）功率地与弱电地分开。功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地。由 于负载电路或功率驱动电路的电流较强、 电压较高， 所以功率地线上的干扰较大。 因此功率 地必须与其他弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。2.2.2 为减小地线干扰，在元件及 PCB 布

7、线上应采取的措施（1）尽可能缩短元件的引脚长度或者选用贴片元件，以减小元件分布电感的影响。 （2）在电源端尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径。（3）PCB 板布局时，高频数字信号线要用短线，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或 用地线隔开。（4）PCB 板的电源线和地线印制条尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干 扰噪声。2.3 采用适当的电路隔离方式开关电源包括两部分，变换部分与控制部分。一般的变换部分是主要的电磁干扰源， 而控制部分是被干扰对象。 为了使电气设备可靠地运 行，抗干扰问题的实质是解决电气设备的电磁兼容问题。 隔离技术是电磁兼容性中的重要技 术之一。

8、在开关电源中，电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与 模拟电路之间的隔离等。 隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断， 从而达 到抑制噪声干扰的效果。 在采用了电路隔离的措施以后， 绝大多数电路都能够取得良好的抑 制噪声效果。2.3.1 利用耦合变压器进行隔离耦合变压器只能传输交流信号， 不能传输直流信号。 因此对地线的低频干扰具有较好的抑制 能力， 并且电路单元间传输的信号电流只能在变压器绕组中流过，不流经地线， 也可以避免对其他电路的干扰。原创文章： 【请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。开关电源的抗干扰技术上网时间： 2011-07-012.3.

9、2 使用脉冲变压器隔离图 4 光电耦合器电路脉冲变压器的匝数较少， 而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁 心的两侧， 它的分布电容很小， 仅为几个皮法，可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传 递输入、 输出脉冲信号时， 不传递直流分量， 因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应 用。2.3.3 采用光电耦合器 进行隔离（图 4）编译，编译后，还必须对单片机的熔丝位进行合理配置， 才能利用 AVRStudio 调用 WinAVR 编译生成的 Coff 文件进行调试。最后，生成的 hex 文件即可直接下载到芯片 中运行。此外，程序烧录完毕后，可通过 AVRStudio4 烧录锁存位进行加密。操作

10、器软件工作流程如图 5 所示。3 结语 该操作器的工作电源由门机变频器的主控制板的 DC 稳压模块供给， 系统掉电后的一段时间 里，由于变频器储能模块的存在， 使得操作器仍然可以比较从容的保存重要的参数信息。 此外，工作稳定可靠，使用简单方便，成本低廉的优点，使得它具备良好的商业应用前景。原创文章：请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。PWM 开关稳压电源的噪声尖峰干扰抑制措施上网时间： 2011-07-11 中心议题：PWM 开关稳压电源的噪声尖峰干扰抑制措施 解决方案：延长功率开关管瞬时导通持续时间减小变压器漏感合理选择开关三极管和续流二极管的开关速度使用P型LC平衡滤波器使用高频

11、电解电容器缩短输出线长度PWM ( PulseWidthmodulation )型开关稳压电源具有体积小、效率高的优点，作为电源设备 在许多领域得到了广泛的应用。 但是， 开关三极管的工作状态转换持续期短、频谱甚宽的尖峰干扰是其致命弱点，它不仅影响开关电源本身，而且还会干扰邻近的其它电子设备。开关稳压电源工作时开关三极管和续流二极管 (亦可以是另一个开关三极管) 总是交替地导 通或者截止，图 1 中 KQ 和 KD 并非是理想器件， 两种状态的转换需要一定的时间，这就产 生了尖峰干扰。 在状态转变过程中， 该导通的开关没有完全导通， 而该截止的开关却又没有 截止的瞬间，电源到地有直接的通路，产

12、生瞬态电流Is。该电流跟开关三极管导通时的电流Imax 及截止时的电流 Icmin 的差值、 开关 KQ 和 KD 同时导通的持续时间等因素有关。 由于 电路分布参数的影响，在波形上出现振铃振荡。功率开关管瞬时导通的持续时间对尖峰干扰的影响晶体管的开启和关断时间跟其截止频率成反比。开启、关断时间越短，开关速度就越快。同时导通的持续时间取决于 KQ 和 KD 所使用的器件的开关速度。 用速度不同的开关器件比较， 开关器件的速度越快，同时导通的持续时间越短，尖峰干扰越是宽度窄、幅度大。减小变压器漏感引起的电压尖峰变压器的漏感越大， 电压尖峰越高， 射频干扰也就越大。 特别是变压器采取屏蔽后，由于耦

13、 合差，漏感也相应大一些。一般说，用环型磁芯绕制的变压器产生的漏感要比 E 型小些。 另外，绕线工艺也很重要， 较好的绕线方式是先绕初级总圈数的一半， 再绕次级的全部圈数， 最后再绕初级的剩余一半， 即次级线圈在初级线圈的中间。 这样初级线圈保持有较好的耦合， 使变压器有较小的漏感。功率管的开关波形对尖峰干扰的影响与抑制开关波形 Usr (t)的方正度影响尖峰干扰。矩形波的谐波幅度随频率增加而减小的速率为20dB 十倍频程，梯形波则为 40dB 十倍频程。有意识地改变矩形波的陡峭程度和两角的钝 化程度可抑制高频分量、 减小尖峰干扰。 故要合理地选择开关三极管和续流二极管的开关速 度。对开关三极

14、管而言，有两种方法可减小尖峰干扰，即增大 Vce 的上升时间和减小 Ic 的下降 时间。图 2电路中，在确定了 KQ 之后，可从图 3 看出，增大 KD 的开启时间、减小关断时 间可以减小尖峰干扰。原创文章： 【请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。2011-07-11RC 缓冲电路可使尖峰干扰明显减D和R1对C充电，使其上升速率PWM 开关稳压电源的噪声尖峰干扰抑制措施上网时间： 在开关三极管的 CE 之间，或者在续流二极管的两端并联 小。图 3 中，三极管 T 关断时，集电极电压上升，通过 变缓，选择充电常数 CR1的值可以控制上升速率。 T导通时，D截止，C对R1和R2放电, 限

15、制了导通瞬间的峰值电流。该缓冲电路改变了负载线的形状，减少了开关三极管的损耗。 在续流二极管两端并上 RC 电路也同样有效。图 3 中，当用 3DD11 和 2CK120C 时，可并 0.022LF 左右的电容器( f=2kHz ) ，该电容的容量有一最佳值，它的作用可以从图 4 看出。图4 (a)是不加C的情况，将其在时间轴上放大后为图4 (b)。并上缓冲电容后分别见图4(6和(d)。在输入电网中，部噪声的抑制方法开关稳压电源中开关快速通断， didt 很大，在供电系统的漏电感上产生幅度很大的瞬态压降， 使输入电压源有一个时间很短的瞬时跌落， 破坏电网的正常波形、 形成干扰。 输入电源中的

16、干扰也会影响开关稳压电源。输入滤波器具有一定的隔离作用，通常采用P型LC平衡滤波器，对脉动干扰可以衰减 20dB,尖峰干扰也能衰减 6dB之多。电感量的计算式：式中 E 尖峰是尖峰干扰电压( Vp-p ) ， f 尖峰是尖峰干扰的频率( Hz) 。还应考虑到流过电感 的直流电流值，以免饱和。Isr是开关稳压电源的最大输入直流电流( A)，Usr是输入直流电压(V)。用市电供电的电 源系统，滤波器应装在一铝质密封小盒内，小盒放在机箱内，电源线进入孔的旁边，使电源线一进入机箱就到滤波小盒， 然后再引出至电源开关、 整流器。 倘若在整流器之前采用变压 器，则应在其初、次级加隔离。输出电容器对尖峰干扰

17、的影响 开关稳压电源的输出电容量大， 需用电解电容器。 普通电解电容的高频特性不好， 存在着较 大的等效电感和电阻， 故阻抗大， 尖峰噪音也大。 高频电解电容器是具有优良高频特性的低 电感器件，它对脉冲源及输出电压提供了很好的与接地回路的隔离， 并提供良好的噪声滤波。目前有三种高频电解电容器， 一种是四端电容器， 它的高频特性良好， 但是负载电流流过电 容器内部使之发热，故电流要限制在 10A 以下；二是大型高频滤波电解电容器，它有承受 大电流的能力但高频特性不及前者好； 第三种是高频滤波电解电容器， 优点是体积小。 不改 变电路的其它参数，假若用普通电解电容器时尖峰干扰为 150mVp-p,

18、 而用四端电容则为 50mVp-p 。用一定容量的聚碳酸脂电容或高频陶瓷电容跟输出电解电容并联， 可以进一步降 低尖峰干扰。开关稳压电源布线对尖峰干扰的抑制开关稳压电源工作时向空间辐射干扰。辐射噪音电平与辐射源的距离成反比。一般离 5cm 以外布线即可。 若结构上不允许则应加屏蔽。 电源输入线周围产生很强的电磁场， 为减小输 入线和输出线之间的电磁耦合，两者必须远离。原创文章： 【请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。PWM 开关稳压电源的噪声尖峰干扰抑制措施上网时间： 2011-07-11 流过开关大电流的导线应尽量短， 并且不跟其它线交连。 降压型开关稳压电源的续流二极管 或者升压

19、型的开关三极管的接地端应以最短的引线直接与输出电容的地端相连。 图 5 表示了 布线的影响，尖峰干扰通过环路 I 辐射，故构成这一环路的各段连线的感性耦合必须最小， 电容器的引线要短，以减小引线电感。为减小输出线上的损耗和尖峰干扰， 输出到负载的连线应短。 图 6 画出了对三种不同长度的 输出线， 当负载电流为 8A 时，在负载端所测得的干扰波形。 输出线长， 尖峰干扰的幅度大、 宽度也宽。 相同长度的输出线， 线径粗则尖峰干扰幅度大、宽度宽。用双绞线能有效地衰减 电磁感应电势，表 1 说明对感应电势衰减的数值随扭距变短而增大。输出线的接法对尖峰干扰有很大的影响。 用双绞线直接从输出电容器的高

20、端和低端输出，可使正、 反向的干扰电流抵消。 否则干扰电流流经输出线， 会在线上产生一个很大的尖峰干扰 电压。 当开关稳压电源供几个负载使用时， 从输出电容分别用双绞线馈送到各负载为好。实际应用中馈线很长， 带有长输出线的开关稳压电源，它的尖峰干扰较大。为此，可在输出端或在负载的输入端加设LC 低通平衡滤波器。 例如某开关稳压电源输出2m 长的馈线到负载，在负载端的尖峰干扰为 只加电容则尖峰干扰为100mVp-p 。不接电感 L,3Vp-p, 若在负载侧加 LC 滤波器，则下降为1Vp-p, 可见小电感 L 是必须的。结语 综上所述，脉冲宽度调制开关稳压电源所产生的噪音的频谱很宽，从几赫兹到几十兆赫兹， 根据本文所分析的因素，按照以上所讨论的方法，可以有效地抑制这些噪声中的尖峰干扰。对于个别电路， 则采用其中的若干种进行组合，往往就可奏效。目前， 要使开关稳压电源的 噪音达到毫伏峰 -峰数量级，尚有许多难处。但是，随着元件的进展、工艺水平的提高以及 对噪音问题的认识深化，开关稳压电源的输出噪音是可能达到新水平的。原创文章： 【请保留版权，谢谢！ 】文章出自电子元件技术网。