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開關電源如何工作 主要應用在什么領域-開關電源噪音來源與抑制噪音方法詳解-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2019-01-25 

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開關電源 噪音

開關電源概述

開關模式電源(Switch Mode Power Supply,簡稱SMPS),又稱交換式電源、開關變換器,是一種高頻化電能轉換裝置,是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓,透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源,而輸出多半是需要直流電源的設備,例如個人電腦,而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。


開關電源不同于線性電源,開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區)及全閉模式(截止區)之間切換,這兩個模式都有低耗散的特點,切換之間的轉換會有較高的耗散,但時間很短,因此比較節省能源,產生廢熱較少。理想上,開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的,線性電源在產生輸出電壓的過程中,晶體管工作在放大區,本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點,而且因為開關電源工作頻率高,可以使用小尺寸、輕重量的變壓器,因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小,重量也會比較輕。


若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時,開關電源比線性電源要好。不過開關電源比較復雜,內部晶體管會頻繁切換,若切換電流尚加以處理,可能會產生噪聲及電磁干擾影響其他設備,而且若開關電源沒有特別設計,其電源功率因數可能不高。


開關電源的主要用途

開關電源產品廣泛應用于工業自動化控制、軍工設備、科研設備、LED照明、工控設備、通訊設備、電力設備、儀器儀表、醫療設備、半導體制冷制熱、空氣凈化器,電子冰箱,液晶顯示器,LED燈具,通訊設備,視聽產品,安防監控,LED燈帶,電腦機箱,數碼產品和儀器類等領域。


開關電源的噪音來源

噪音來源于PCB設計、電路振蕩和磁元件三方面:


1、電路震蕩

電源輸出有很大的低頻穩波。多是電路穩定余度不夠引起。理論上可以用系統控制理論中的頻域法/時域法或勞斯判據做理論分析。現在,可以用計算機仿真方法方便的驗證電路穩定性,以避免自激振蕩發生,有多款軟件可以用。對于已經做好的電路,可以增加輸出濾波電容或電感、改變信號反饋位置、增加PI調節的積分電容、減少開環放大倍數等方法改善。


2、PCB設計

主要是EMI噪音引起,射頻噪音調整PI調節器,使輸出誤差信號中包含擾動。主要查看高頻電容是否離開關元件太遠,是否有大的C形環繞布線等。

開關電源,噪音


控制電路的PCB線至少有兩點以上和功率電路共用。PCB覆銅線并非理想導體,它總是可以等效成電感或電阻體,當功率電流流過了和控制回路共用的PCB線,在PCB上產生電壓降落,控制電路各節點分散在不同位置時,功率電流引起的電壓降對控制網絡家入了擾動,使電路發出噪音。這顯現多發生在功率地線上,注意單點接地可以改善。


3、磁元件

磁材有磁至應變的特點,漆包線也會在泄露磁場中受到電動力的左右,這些因素的共同作用下,局部會發生泛音或1/N頻率的共振。改變開關頻率和磁元件浸漆可以改善。


噪音干擾源

由以上分析可以知道開關電源中的噪聲干擾源很多,干擾途徑是多種多樣的,影響較大的噪聲干擾源可以歸納為以下三種:


1、二極管的反向恢復時間引起的干擾。


2、開關管工作時產生的諧波干擾。

功率開關管在導通時流過較大的脈沖電流,在截止期間,高頻變壓器繞組漏感引起的電流突變,也會產生尖峰干擾。


3、交流輸入回路產生的干擾。

開關電源輸入端整流管在反向恢復期間也會引起高頻衰減振蕩產生干擾。一般整流電路后面總要接比較大的濾波電容,因而整流管的導通角較小,會引起很大的充電電流,使交流輸入側的交流電流發生畸變,影響了電網的供電質量。另外,濾波電容的等效串聯電感對產生干擾也有較大的影響。


所有這些干擾按傳播途徑可以分為傳導干擾和輻射干擾兩類。開關電源產生的尖峰干擾和諧波干擾能量通過開關電源輸入輸出線傳播出去形成的干擾稱為傳導干擾。諧波和寄生振蕩的能量,通過輸入輸出線傳播時,在空間產生電場和磁場,這些通過電磁輻射產生的干擾稱為輻射干擾。

正因為開關電源本身就是一個強干擾源、所以除了電路上采取措施抑制其電磁干擾產生外,還應對開關電源進行有效的電磁屏蔽,濾波以及接地。


開關電源噪音抑制的方法

形成電磁干擾的三要素是干擾源、傳播途徑和受擾設備,因而,抑制電磁干擾也應該從這三個方面著手。首先應該抑制干擾源,直接消除干擾原因;其次是消除干擾源和受擾設備之間的耦合和輻射,切斷電磁干擾的傳播途徑;第三是提高受擾設備的抗擾能力,降低其對噪聲的敏感度。第三點不是本文討論的范圍。


采用功率因數校正(PFC)技術和軟開關功率變換技術能大大降低噪聲幅度。


1、電路上的措施

開關電源產生電磁干擾的主要原因是電壓和電流的急劇變化,因此需要盡可能地降低電路中的電壓和電流的變化率(du/dt、di/dt)。采用吸收電路也是抑制電磁干擾的好辦法。吸收電路的基本原理就是開關斷開時為開關提供旁路,吸收蓄積在寄生分布參數中的能量,從而抑制干擾發生。常用的吸收電路有RC、RCD、LC無源吸收網絡和有源吸收網絡。


濾波是抑制傳導干擾的一種很好的方法。例如,在電源輸入端接上濾波器可以抑制開關電源產生并向電網反饋的干擾,也可以抑制來自電網的噪聲對電源本身的侵害。在濾波電路中,還采用很多專用的濾波元件,如穿心電容器,三端電容器,鐵氧體磁環,他們能夠改善電路的濾波特性。恰當的設計或選擇濾波器,并正確地安裝濾波器,是抗干擾技術的重要組成部分。


2、結構上的措施:屏蔽

屏蔽是解決電磁兼容問題的重要手段之一,目的是切斷電磁波的傳播途徑。大部分電磁兼容問題都可以通過電磁屏蔽來解決。用電磁屏蔽的方法解決電磁干擾問題的最大好處是不會影響電路的正常工作。

屏蔽分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。


對開關電源來說,主要是要做好機殼的屏蔽、高頻變壓器的屏蔽、開關管和整流二極管的屏蔽以及控制、驅動電路的屏蔽等,并要通過各種方法提高屏蔽效能。


開關電源的工作原理詳解

開關電源,噪音

開關電源的伯特圖


開關電源的工作過程相當容易理解,在線性電源中,讓功率晶體管工作在線性模式,與線性電源不同的是,PWM開關電源是讓功率晶體管工作在導通和關斷的狀態,在這兩種狀態中,加在功率晶體管上的伏-安乘積是很小的(在導通時,電壓低,電流大;關斷時,電壓高,電流小)/功率器件上的伏安乘積就是功率半導體器件上所產生的損耗。


與線性電源相比,PWM開關電源更為有效的工作過程是通過“斬波”,即把輸入的直流電壓斬成幅值等于輸入電壓幅值的脈沖電壓來實現的。


脈沖的占空比由開關電源的控制器來調節。一旦輸入電壓被斬成交流方波,其幅值就可以通過變壓器來升高或降低。通過增加變壓器的二次繞組數就可以增加輸出的電壓值。最后這些交流波形經過整流濾波后就得到直流輸出電壓。

控制器的主要目的是保持輸出電壓穩定,其工作過程與線性形式的控制器很類似。也就是說控制器的功能塊、電壓參考和誤差放大器,可以設計成與線性調節器相同。他們的不同之處在于,誤差放大器的輸出(誤差電壓)在驅動功率管之前要經過一個電壓/脈沖寬度轉換單元。


開關電源有兩種主要的工作方式:正激式變換和升壓式變換。盡管它們各部分的布置差別很小,但是工作過程相差很大,在特定的應用場合下各有優點。


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