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开关电源产生噪声的原因

作者:赫杰五金 发布时间:2017-07-19
内容摘要:开关电源将普通电直接整流滤波成为直流高压,然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压。

开关电源将普通电直接整流滤波成为直流高压,然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压,再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压。开关电源产生EMI的因素较多,因为开关电源内部的功率开关管、整流或续流二管及主功率变压器在高电压、大电流及高频开关的方式下工作,其电压电流波形多为方波,所以在高压大电流的方波切换过程中,方波电压电流会产生丰富的谐波电压及谐波电流。这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出,对同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰。
  开关电源中EMI发射的主要能量属离散频谱,但也含有来自输入电源的部分连续频谱。它还在设备的电路中产生感应电压,成为产生误动作的重要原因。电源设备本身在开关动作时,都会在该设备输入端出现终端噪声,产生干扰辐射,并可能干扰其它设备。另外,若设计时考虑不周,元器件也会成为电磁干扰源。例如电线和电缆(等效电路是感性发射天线)、连接器、冷却用风扇电机、开关、继电器、电磁线圈以及处于高频高压状态下的晶体管BTR(或功率MOSFET)和二管,如果这些器件在工作时端电压时间变化率dv/dt或电流时间变化率di/dt很大,就   容易产生EMI能量。
  由于电压差可以产生电场,电流的流动可以产生磁场,丰富的谐波电压电流的高频部分,在开关电源内部就会产生电磁场,造成开关电源内部工作的不稳定,使电源的性能降低。而且部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙,向周围空间辐射,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场,一起通过空间传播的方式,对其它高频及对电磁场比较敏感的设备造成干扰,引起这些设备工作异常。
  由于开关电源中的二管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流,通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构等若干因素的影响,基本整流器产生电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生尖峰电压干扰。基本整流器的整流过程常会引起电磁干扰。因为正弦波通过整流器后不再是单一频率的电流,而是变成单向脉动电源,此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。较高的谐波(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,使接收机等产生噪声。
  变压器型功率转换电路是实现变压,变频以及完成输出电压调整的部件,是开关稳压电源的核心,主要由开关管和高频变压器组成。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)开关功率晶体管感性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电流,它在开关管过激励较大时,将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖冲,轻者造成干扰,重者有可能击穿开关管。
  (2)由高频变压器产生的干扰。当原来饱和的开关管关断时,变压器的漏感所产生的反电势eL=Ldi/dt,其值与集电的电流变化率(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,不但影响变压器的初级,还会传导至配电系统,影响其它用电设备的   和正常运行。这是因为开关管从Ton转换到Toff时,由于变压器的漏磁通,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈,储藏在漏感中的这部分能量将和集电电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡,叠加在关断电压上,形成关断电压尖峰。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变,它是一种传导性电磁干扰,不但影响变压器的初级,还会使干扰传导返回配电系统,造成电网谐波电磁干扰,影响其它用电设备的   和经济运行。
  (3)由输出整流二管产生的干扰。在输出整流二管截止时,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级管为硬恢复特性二管,这种二管在变压器漏感和其它分布参数的影响下,将产生较强的高频干扰,其频率可达几十MHz。

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