潘兆智
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摘 要：为了抑制开关电源噪声，文章对开关电源噪声产生的原因以及种类进行了分析阐述，并针对不同噪声提出了相应的抑制电路，最后将电路相结合得到完整的滤波电路，为开关电源的推广使用和抑制噪声提供参考。
关键词：开关电源；滤波器；输出电压
在现代电子设备上,开关电源以其尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值，得到越来越广泛的应用。但是，随着产品系统的复杂化和高集成化,开关电源噪声大、电磁干扰严重的缺点也越来越受到关注。在开关电源中,滤波器对噪声的抑制起着显著的作用。
1.开关电源噪声分析
EMI噪声按照传输途径的不同，可以划分为共模及差模干扰噪声。在开关电源模块中差模干扰噪声具体表现为浪涌电压，其将会使开关电源输出电压幅值波动较大，使得开关电源无法提供稳定的电压。浪涌电压所造成过高的瞬时电压很可能会导致电路的损坏，例如使得二极管被击穿或电容被烧坏，进而使电子设备无法正常工作。对于高频尖峰脉冲数据采集电路而言，浪涌电压会对电路产生毛刺[1]
1.1浪涌电压
如图1为某L系列的AC－DC开关电源原理图。由图可知，输电网中的高压电经过整形电路以及滤波电路作用后，输出电压信号再通过Buck变换器，由PFM电路来对输出电压的占空比进行调节，其原理为通过控制半导体JEFT管的导通与关断来输出电压，并保持电压的稳定。由于场效应晶体管不停在导通以及关断之间变换，造成感性负载中的电流也随之不停地发生突变，进而导致第一级线圈中产生浪涌电压。同样的，在输出端也会出现与开关频率相同的纹波，浪涌电压的大小决定于开关电源内部所包含的LC电压和等效串联电阻，而电压频率则与场效应晶体管导通关断状态转换频率一致，其为差模噪声[2]。
图1某L系列AC－DC开关电源原理
1.2高频尖峰脉冲
高频尖峰脉冲为共模噪声，其主要分为两种噪声。一种是由于整流二极管的反向恢复特性而产生的［1］。如图1中所示，二极管D1由于具有反向恢复特性，当场效应晶体管在导通与关断状态之间切换时会产生尖峰电流。其次，在LC滤波电路中分布参数和寄生电容等因素的作用下电路中将会出现谐振，此时电磁振动幅值将达到最大，导致谐波的产生，从而对电路形成干扰;另一种是当场效应晶体管在导通与关断状态中间切换时，其在上升与下降阶段所产生的高频噪声，噪声频率通常约为几十MHz。与浪涌电压相比，高频尖峰脉冲幅值通常更大，其对电路稳定性影响也更大[3]。
2.噪声类型分析
由于其特有的工作方式使得电源开关自身能够产生强大的EMI噪声，且不同的开关电源模块所产生的噪声类型不同。为了有效抑制干扰噪声，必须对不同开关电源模块所产生的噪声分布进行分析。相对于其他开关电源模块，L系列开关电源模块中出现的噪声主要为谐振所导致的谐波以及高频尖峰脉冲。L系列开关电源模块所产生的谐波噪声频率约为63kHz，而共模干扰，即高频尖峰脉冲频率在12MHz左右。两种噪声同时起作用后所形成的叠加噪声峰峰值将近100mV，符合开关电源噪声所拥有的特性[1]。因此，可知该开关电源模块噪声为63kHz，噪声波形如图2所示。
式中，LD和CD分别为抑制差模干扰的电感值和电容值。
一般而言，在L型低通滤波电路中，差模电容的电容值较大，而电感则基于铁粉芯磁材料制成的。其具有两个优点，首先是电感值较高，其次是此类电感在抑制差模干扰方面效果显著[4]。在电容选择上，因为电解电容结构上存在缺陷，导致其在高频电路中对外呈现为感性，因而在抑制差模干扰上未能取得明显的抑制结果。为解决这一问题，本文将电解电容与陶瓷电容并联使用，这不仅能够有效抑制高频噪声，同时也能为基准电压起到耦合作用。
经过滤波电路后，差模干扰得到了改善。如图3所示，噪声幅值基本维持在5mV以内，其与理论所计算得到的噪声幅值是一致的，但高次谐波却仍未被有效抑制，其频率依然在约12.5MHz。
图3高频尖峰脉冲噪声
结合前文所分析的两种干扰噪声，本文所设计的开关电源外接滤波电路如图4所示。首先，输电网高压电经过开关电源模块后，输出端先接由差模电感以及差模电容组成的低通滤波电路，消去低频差模干扰噪声。然后，再将输出通过共模电感以及共模电容组成的电磁干扰滤波电路来抑制高频脉冲噪声的生成。由于共模电感由多个绕组构成，这里为两个绕组，绕组之间存在间隔，易发生磁通泄露，导致干扰噪声产生，影响电路正常运行。为解决这一问题，可将输出电压通过差模LC滤波电路，去除剩余低频干扰。
4.结束语
综上所述，开关电源在快速发展也在被广泛应用,EMI噪声随之增加,EMI滤波器技术的应用也备受关注。实验测试表明，本研究设计的电路能够有效抑制开关电源电路中普遍存在的两种噪声，使得开关电源输出电压更加稳定，保证了电路的正常运行。
参考文献：
[1]朱彩莲,熊丽萍,魏海红等.基于UC3842反激式AC-DC开关电源设计[J].电子设计工程, 2017(24):148-151.
[2]白昊,张强,李万玉.基于开关电源的EMI滤波器设计与实现[J].电子技术, 2012, 46(5):1-3.
[3]冯艳斌,张勋, 张丽.开关电源EMI滤波器设计[J].电子科技, 2010, 23(6):67-71.
[4]张志宏,黄伟, 柴树深等.对开关电源中滤波器技术的研究[C]//中国. 2011.
论文作者:潘兆智
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/19
标签：噪声论文; 开关电源论文; 电路论文; 电压论文; 浪涌论文; 干扰论文; 抑制论文; 《防护工程》2018年第12期论文;