開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)

1、開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)上網(wǎng)時(shí)間： 2011-07-01 中心議題： 開(kāi)關(guān)電源的干擾源和抗干擾措施解決方案： 在電路布局上優(yōu)化布局 合理接地采用適當(dāng)?shù)碾娐犯綦x方式單片機(jī)的開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)， 其內(nèi)部電壓和電流波形都以非常短的時(shí)間上升和下降， 所以開(kāi)關(guān) 電源本身就是一個(gè)射頻干擾產(chǎn)生源。 開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的干擾， 按噪聲干擾源種類(lèi)來(lái)分， 可以分 為尖鋒干擾和諧波干擾； 若按耦合通路來(lái)分， 可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾， 開(kāi)關(guān)電路框圖如 圖 1。1 開(kāi)關(guān)電源的主要干擾1.1 一次整流回路的干擾開(kāi)關(guān)電源中的主要噪聲干擾之一是由二極管斷開(kāi)時(shí)的反向恢復(fù)現(xiàn)象引起的， 一次整流回路中 的整流二極管正向?qū)〞r(shí)有較大的正向電流流

2、過(guò)， 它受反偏電壓而轉(zhuǎn)向截止時(shí)，由于 PN 結(jié) 中有較多的載流子積累， 因而在載流子消失前的一段時(shí)間， 電流會(huì)反向流動(dòng)， 從而導(dǎo)致很大 的電流變化。即一次整流回路的干擾。1.2 開(kāi)關(guān)回路的干擾電源工作時(shí)， 開(kāi)關(guān)處于高頻通斷狀態(tài)， 在高頻電流環(huán)路中， 可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射噪聲。1.3 二次整流回路的干擾電源工作時(shí)， 整流二極管處于高頻通斷狀態(tài)， 由脈沖變壓器、 整流二極管以及濾波電容構(gòu)成 的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路，可能向空間輻射噪聲。1.4 控制回路的干擾控制回路中的脈沖控制信號(hào)是主要的干擾源。1.5 分布電容引起的噪聲干擾2 抗干擾措施降低干擾是開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作的前提，其主要方法如下。2.1 在

3、電路設(shè)計(jì)上要優(yōu)化布局 對(duì)于開(kāi)關(guān)電路來(lái)說(shuō)，合理的布局可以對(duì)電路中產(chǎn)生的輻射噪聲加以抑制。2.1.1 元器件布局時(shí)的抗干擾措施 （1）根據(jù)印制板的安裝方式，將散熱元器件如功率開(kāi)關(guān)器件、穩(wěn)壓器、變壓器等安裝在印 制板的上方，以利于散熱；熱敏元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離散熱元件。（2）在高頻電路中，盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設(shè)法減少它們的分布參數(shù)和相互 間的電磁干擾；盡量減小由高頻脈沖電流所包圍的面積。（3）輸入和輸出元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。（4）在雙面印制板設(shè)計(jì)中，適當(dāng)加入濾波電容，以便減小電源線阻抗，縮小電流環(huán)路，使 電路工作更加穩(wěn)定可靠。（5）盡量減少環(huán)路面積。這是減少輻射噪聲的重要途徑，為此，要求開(kāi)關(guān)電源的元

4、件彼此 間緊密排列。原創(chuàng)文章： "【請(qǐng)保留版權(quán)，謝謝！ 】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。 、開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)上網(wǎng)時(shí)間： 2011-07-01如圖 2 為環(huán)路面積較大的開(kāi)關(guān)電路，圖 3 為環(huán)路面積較小的開(kāi)關(guān)電路。2.1.2印制板（PCB）布線抗干擾的措施印制電路板的抗干擾設(shè)計(jì)不僅與布局有關(guān)， 而且與布線也有相當(dāng)大的關(guān)系。 布線的原則如下： （ 1 ）相鄰電路之間走線盡量避免平行；若平行走線無(wú)法避免，則應(yīng)在平行信號(hào)線之間加一 條起屏蔽作用的地線，且盡量加大平行信號(hào)線間距，以降低兩線之間電磁干擾。（ 2）控制回路與輸出回路分開(kāi)，采用單點(diǎn)接地方式。（3）根據(jù) PCB 板電流的大小，盡量加粗電源

5、線、接地線，減少環(huán)路阻抗；同時(shí)使電源線、 地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這有助于增強(qiáng)抗噪聲能力；對(duì)于密度很高的PCB 板，采用多層板； 在雙面板設(shè)計(jì)中， 還應(yīng)該在電源線和地線之間留出一定的空間，以便安裝高頻特性好的去耦電容。（ 4）印制線不要突然拐角，以免發(fā)生反饋耦合。（ 5）電容引線不能太長(zhǎng)，尤其是高頻旁路電容不能有引線。2.2 合理接地電源系統(tǒng)的接地包括公共參考接地和安全及抗干擾接地。 在電路設(shè)計(jì)中， 要盡量減小接地回 路中的公共電阻， 且應(yīng)遵循“一點(diǎn)接地” 原則。如果形成多點(diǎn)接地， 會(huì)出現(xiàn)閉合的接地環(huán)路， 從而在磁力線穿過(guò)回路時(shí)將產(chǎn)生磁感應(yīng)噪聲。 通常利用一個(gè)導(dǎo)電平面作為參考地， 將接

6、地的 各部分就近接到該參考地上。2.2.1 接地過(guò)程應(yīng)遵循的規(guī)則（1）交流電源地與直流電源地分開(kāi)。一般情況下交流電源的零線是接地的，且該零線上往 往存在很多干擾， 如果交流電源地與直流電源地不分開(kāi)， 將對(duì)直流電源和直流電路的正常工 作產(chǎn)生影響。通常采用“浮地技術(shù)” 將交流電源地與直流電源地分開(kāi)， 這樣可以隔離來(lái)自交 流電源地線的干擾。（2）功率地與弱電地分開(kāi)。功率地是負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的零電位的公共基準(zhǔn)地。由 于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、 電壓較高， 所以功率地線上的干擾較大。 因此功率 地必須與其他弱電地分別設(shè)置，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。2.2.2 為減小地線干擾，在元件及

7、 PCB 布線上應(yīng)采取的措施（1）盡可能縮短元件的引腳長(zhǎng)度或者選用貼片元件，以減小元件分布電感的影響。 （2）在電源端盡可能靠近器件接入濾波電容，以縮短開(kāi)關(guān)電流的流通途徑。（3）PCB 板布局時(shí)，高頻數(shù)字信號(hào)線要用短線，同時(shí)電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號(hào)線或 用地線隔開(kāi)。（4）PCB 板的電源線和地線印制條盡可能寬，以減小線阻抗，從而減小公共阻抗引起的干 擾噪聲。2.3 采用適當(dāng)?shù)碾娐犯綦x方式開(kāi)關(guān)電源包括兩部分，變換部分與控制部分。一般的變換部分是主要的電磁干擾源， 而控制部分是被干擾對(duì)象。 為了使電氣設(shè)備可靠地運(yùn) 行，抗干擾問(wèn)題的實(shí)質(zhì)是解決電氣設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題。 隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要

8、技 術(shù)之一。在開(kāi)關(guān)電源中，電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與 模擬電路之間的隔離等。 隔離的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷， 從而達(dá) 到抑制噪聲干擾的效果。 在采用了電路隔離的措施以后， 絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑 制噪聲效果。2.3.1 利用耦合變壓器進(jìn)行隔離耦合變壓器只能傳輸交流信號(hào)， 不能傳輸直流信號(hào)。 因此對(duì)地線的低頻干擾具有較好的抑制 能力， 并且電路單元間傳輸?shù)男盘?hào)電流只能在變壓器繞組中流過(guò)，不流經(jīng)地線， 也可以避免對(duì)其他電路的干擾。原創(chuàng)文章： "【請(qǐng)保留版權(quán)，謝謝！ 】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。開(kāi)關(guān)電源的抗干擾技術(shù)上網(wǎng)時(shí)間： 20

9、11-07-012.3.2 使用脈沖變壓器隔離圖 4 光電耦合器電路脈沖變壓器的匝數(shù)較少， 而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁 心的兩側(cè)， 它的分布電容很小， 僅為幾個(gè)皮法，可作為脈沖信號(hào)的隔離元件。脈沖變壓器傳 遞輸入、 輸出脈沖信號(hào)時(shí)， 不傳遞直流分量， 因而在微電子技術(shù)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng) 用。2.3.3 采用光電耦合器 進(jìn)行隔離（圖 4）編譯，編譯后，還必須對(duì)單片機(jī)的熔絲位進(jìn)行合理配置， 才能利用 AVRStudio 調(diào)用 WinAVR 編譯生成的 Coff 文件進(jìn)行調(diào)試。最后，生成的 hex 文件即可直接下載到芯片 中運(yùn)行。此外，程序燒錄完畢后，可通過(guò) AVRStudio4

10、燒錄鎖存位進(jìn)行加密。操作器軟件工作流程如圖 5 所示。3 結(jié)語(yǔ) 該操作器的工作電源由門(mén)機(jī)變頻器的主控制板的 DC 穩(wěn)壓模塊供給， 系統(tǒng)掉電后的一段時(shí)間 里，由于變頻器儲(chǔ)能模塊的存在， 使得操作器仍然可以比較從容的保存重要的參數(shù)信息。 此外，工作穩(wěn)定可靠，使用簡(jiǎn)單方便，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，使得它具備良好的商業(yè)應(yīng)用前景。原創(chuàng)文章："請(qǐng)保留版權(quán)，謝謝！ 】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的噪聲尖峰干擾抑制措施上網(wǎng)時(shí)間： 2011-07-11 中心議題：PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的噪聲尖峰干擾抑制措施 解決方案：延長(zhǎng)功率開(kāi)關(guān)管瞬時(shí)導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間減小變壓器漏感合理選擇開(kāi)關(guān)三極管和續(xù)流二極管的開(kāi)

11、關(guān)速度使用P型LC平衡濾波器使用高頻電解電容器縮短輸出線長(zhǎng)度PWM ( PulseWidthmodulation )型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源具有體積小、效率高的優(yōu)點(diǎn)，作為電源設(shè)備 在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 但是， 開(kāi)關(guān)三極管的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換持續(xù)期短、頻譜甚寬的尖峰干擾是其致命弱點(diǎn)，它不僅影響開(kāi)關(guān)電源本身，而且還會(huì)干擾鄰近的其它電子設(shè)備。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作時(shí)開(kāi)關(guān)三極管和續(xù)流二極管 (亦可以是另一個(gè)開(kāi)關(guān)三極管) 總是交替地導(dǎo) 通或者截止，圖 1 中 KQ 和 KD 并非是理想器件， 兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，這就產(chǎn) 生了尖峰干擾。 在狀態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中， 該導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)沒(méi)有完全導(dǎo)通， 而該截止的開(kāi)關(guān)卻又沒(méi)有

12、截止的瞬間，電源到地有直接的通路，產(chǎn)生瞬態(tài)電流Is。該電流跟開(kāi)關(guān)三極管導(dǎo)通時(shí)的電流Imax 及截止時(shí)的電流 Icmin 的差值、 開(kāi)關(guān) KQ 和 KD 同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間等因素有關(guān)。 由于 電路分布參數(shù)的影響，在波形上出現(xiàn)振鈴振蕩。功率開(kāi)關(guān)管瞬時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間對(duì)尖峰干擾的影響晶體管的開(kāi)啟和關(guān)斷時(shí)間跟其截止頻率成反比。開(kāi)啟、關(guān)斷時(shí)間越短，開(kāi)關(guān)速度就越快。同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間取決于 KQ 和 KD 所使用的器件的開(kāi)關(guān)速度。 用速度不同的開(kāi)關(guān)器件比較， 開(kāi)關(guān)器件的速度越快，同時(shí)導(dǎo)通的持續(xù)時(shí)間越短，尖峰干擾越是寬度窄、幅度大。減小變壓器漏感引起的電壓尖峰變壓器的漏感越大， 電壓尖峰越高， 射頻干擾也就越

13、大。 特別是變壓器采取屏蔽后，由于耦 合差，漏感也相應(yīng)大一些。一般說(shuō)，用環(huán)型磁芯繞制的變壓器產(chǎn)生的漏感要比 E 型小些。 另外，繞線工藝也很重要， 較好的繞線方式是先繞初級(jí)總?cè)?shù)的一半， 再繞次級(jí)的全部圈數(shù)， 最后再繞初級(jí)的剩余一半， 即次級(jí)線圈在初級(jí)線圈的中間。 這樣初級(jí)線圈保持有較好的耦合， 使變壓器有較小的漏感。功率管的開(kāi)關(guān)波形對(duì)尖峰干擾的影響與抑制開(kāi)關(guān)波形 Usr (t)的方正度影響尖峰干擾。矩形波的諧波幅度隨頻率增加而減小的速率為20dB 十倍頻程，梯形波則為 40dB 十倍頻程。有意識(shí)地改變矩形波的陡峭程度和兩角的鈍 化程度可抑制高頻分量、 減小尖峰干擾。 故要合理地選擇開(kāi)關(guān)三極管

14、和續(xù)流二極管的開(kāi)關(guān)速 度。對(duì)開(kāi)關(guān)三極管而言，有兩種方法可減小尖峰干擾，即增大 Vce 的上升時(shí)間和減小 Ic 的下降 時(shí)間。圖 2電路中，在確定了 KQ 之后，可從圖 3 看出，增大 KD 的開(kāi)啟時(shí)間、減小關(guān)斷時(shí) 間可以減小尖峰干擾。原創(chuàng)文章： " 【請(qǐng)保留版權(quán)，謝謝！ 】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。2011-07-11RC 緩沖電路可使尖峰干擾明顯減D和R1對(duì)C充電，使其上升速率PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的噪聲尖峰干擾抑制措施上網(wǎng)時(shí)間： 在開(kāi)關(guān)三極管的 CE 之間，或者在續(xù)流二極管的兩端并聯(lián) 小。圖 3 中，三極管 T 關(guān)斷時(shí)，集電極電壓上升，通過(guò) 變緩，選擇充電常數(shù) CR1的值可以控制上升

15、速率。 T導(dǎo)通時(shí)，D截止，C對(duì)R1和R2放電, 限制了導(dǎo)通瞬間的峰值電流。該緩沖電路改變了負(fù)載線的形狀，減少了開(kāi)關(guān)三極管的損耗。 在續(xù)流二極管兩端并上 RC 電路也同樣有效。圖 3 中，當(dāng)用 3DD11 和 2CK120C 時(shí)，可并 0.022LF 左右的電容器( f=2kHz ) ，該電容的容量有一最佳值，它的作用可以從圖 4 看出。圖4 (a)是不加C的情況，將其在時(shí)間軸上放大后為圖4 (b)。并上緩沖電容后分別見(jiàn)圖4(6和(d)。在輸入電網(wǎng)中，部噪聲的抑制方法開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源中開(kāi)關(guān)快速通斷， didt 很大，在供電系統(tǒng)的漏電感上產(chǎn)生幅度很大的瞬態(tài)壓降， 使輸入電壓源有一個(gè)時(shí)間很短的瞬時(shí)跌落，

16、 破壞電網(wǎng)的正常波形、 形成干擾。 輸入電源中的 干擾也會(huì)影響開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。輸入濾波器具有一定的隔離作用，通常采用P型LC平衡濾波器，對(duì)脈動(dòng)干擾可以衰減 20dB,尖峰干擾也能衰減 6dB之多。電感量的計(jì)算式：式中 E 尖峰是尖峰干擾電壓( Vp-p ) ， f 尖峰是尖峰干擾的頻率( Hz) 。還應(yīng)考慮到流過(guò)電感 的直流電流值，以免飽和。Isr是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的最大輸入直流電流( A)，Usr是輸入直流電壓(V)。用市電供電的電 源系統(tǒng)，濾波器應(yīng)裝在一鋁質(zhì)密封小盒內(nèi)，小盒放在機(jī)箱內(nèi)，電源線進(jìn)入孔的旁邊，使電源線一進(jìn)入機(jī)箱就到濾波小盒， 然后再引出至電源開(kāi)關(guān)、 整流器。 倘若在整流器之前采用變壓

17、 器，則應(yīng)在其初、次級(jí)加隔離。輸出電容器對(duì)尖峰干擾的影響 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電容量大， 需用電解電容器。 普通電解電容的高頻特性不好， 存在著較 大的等效電感和電阻， 故阻抗大， 尖峰噪音也大。 高頻電解電容器是具有優(yōu)良高頻特性的低 電感器件，它對(duì)脈沖源及輸出電壓提供了很好的與接地回路的隔離， 并提供良好的噪聲濾波。目前有三種高頻電解電容器， 一種是四端電容器， 它的高頻特性良好， 但是負(fù)載電流流過(guò)電 容器內(nèi)部使之發(fā)熱，故電流要限制在 10A 以下；二是大型高頻濾波電解電容器，它有承受 大電流的能力但高頻特性不及前者好； 第三種是高頻濾波電解電容器， 優(yōu)點(diǎn)是體積小。 不改 變電路的其它參數(shù)，假

18、若用普通電解電容器時(shí)尖峰干擾為 150mVp-p, 而用四端電容則為 50mVp-p 。用一定容量的聚碳酸脂電容或高頻陶瓷電容跟輸出電解電容并聯(lián)， 可以進(jìn)一步降 低尖峰干擾。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源布線對(duì)尖峰干擾的抑制開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源工作時(shí)向空間輻射干擾。輻射噪音電平與輻射源的距離成反比。一般離 5cm 以外布線即可。 若結(jié)構(gòu)上不允許則應(yīng)加屏蔽。 電源輸入線周?chē)a(chǎn)生很強(qiáng)的電磁場(chǎng)， 為減小輸 入線和輸出線之間的電磁耦合，兩者必須遠(yuǎn)離。原創(chuàng)文章： " 【請(qǐng)保留版權(quán)，謝謝！ 】文章出自電子元件技術(shù)網(wǎng)。PWM 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的噪聲尖峰干擾抑制措施上網(wǎng)時(shí)間： 2011-07-11 流過(guò)開(kāi)關(guān)大電流的導(dǎo)線應(yīng)盡量短， 并且不跟其它線交連。 降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源的續(xù)流二極管 或者升壓型的開(kāi)關(guān)三極管的接地端應(yīng)以最短的引線直接與輸出電容的地端相連。 圖 5 表示了 布線的影響，尖峰干擾通過(guò)環(huán)路 I 輻射，故構(gòu)成這一環(huán)路的各段連線的感性耦合必須最小， 電容器的引線要短，以減小引線電感。為減小輸出線上的損耗和尖峰干擾， 輸出到負(fù)載的連線應(yīng)短。 圖 6 畫(huà)出了對(duì)三種不同長(zhǎng)度的 輸出線， 當(dāng)負(fù)載電流為 8A 時(shí)，在負(fù)載端所測(cè)得的干擾波形。 輸