开关电源emi噪声分析

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1、开关电源EMI噪声分析及抑制0引言开关电源作为一种通用电源，以其轻、薄、小和高效率等特点为人们所熟知，是各种电子设备小型化和低成本化不可缺少的一种电源方式，已成为当今的主流电源。随着电子信息产的迅猛发展，其应用范围也必将日益扩大，需求量也会与日俱增。然而，当人们尽情享用开关电源所带来的轻、薄、小和高效率等种种便利之时，同时也带来了噪声干扰的种种危害。特别是开关电源在向更小体积、更高频率、更大功率的方向发展，其dV／dt、dI／dt所带来的EMI噪声也将会更大。它的传导噪声、辐射噪声会波及整机的安全，有

2、时会干扰一些CPU的指令，引起系统的误操作，严重时还会引起系统的颠覆性破坏。为此，我们在使用开关电源时，要密切关注开关电源的EMI噪声所带来的危害，采取积极的防范措施来降低EMI噪声，把EMI噪声的影响降到最低。1电源噪声基本概念电源噪声是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为10kHz～30MHz，最高可150MHz。电源噪声，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰。根据传播方向的不同，电源噪声可分为两大类：①.一类是从电源进线引入的外界

3、干扰；②.一类是由电子设备产生并经电源线传导出去的噪声。从形成特点看，噪声干扰分串模干扰与共模干扰两种：①.串模干扰是两条电源线之间（简称线对线）的噪声。②.共模干扰则是两条电源线对大地（简称线对地）的噪声。开关电源属于强干扰源，其本身产生的干扰直接危害着电子设备的正常工作。因此，抑制开关电源本身的电磁噪声，同时提高其对电磁干扰的抗扰性，在设计和开发过程中需要特别的关注。2电源噪声分析开关电源的电路拓扑结构很多，在中小功率开关电源模块中，使用较多的电路拓扑结构为推挽式、单端正激式、单端反激式等。典型的

4、单端正激式开关电源电路框图如图1所示。图1单端正激变换电路电路工作时，由PWM控制单元送出脉宽可变的脉冲信号来驱动开关管Ql，其导通关断状态不断改变。在功率开关管Q1的高频开关切换过程中，流过功率开关管和高频变压器的脉冲会产生纷杂的谐波电压及谐波电流。这些谐波电压及谐波电流产生的噪声可通过电源输入线传到公共供电端，或通过开关电源的输出线传到负载上，从而对其它系统或敏感元器件造成干扰。这些噪声在电源线上传导的噪声频谱图如图2所示，从图中可以看出，在几百kHz到50MHz的频段内，也就是在开关频率的基波和

5、若干次谐波的频段内，干扰噪声的幅值远远超过了GJBl51A所规定的范围，因而会造成系统传导噪声等电磁兼容指标超标。图2开关电源在电源线上的传导噪声频谱图2.1共模噪声电流金属封装结构表面贴装开关电源模块的整个电路元器件全部都装配在基片上。PWM控制片、功率开关管、整流二极管等有源器件全部采用表面贴装封装元件，输入输出的电压电流由引线送出。这样的连接方式虽然构成了电路回路，但也给电路带来了新的寄生电容Cp，这些寄生电容的分布如图3所示。图3开关电源的寄生电容Cp分布在初级回路中，功率开关管芯片、PWM控

6、制芯片、运算放大器芯片、电源正负输入线的走线轨迹等都会与外壳底板之间产生寄生电容Cp，寄生电容的容量大小取决于基片的厚度和它们在底板上所占据的面积。这样，在电路中，这些元器件及其走线与外壳底板之间就形成了分布电容Cp1、Cp2、……、Cp6等。这些分布电容在dV／dt、dI／dt及整流二极管反向恢复电流等共同影响下，就会引起噪声电流。这些噪声电流对于输入电源线的正负之间、以及输出负载线的正负之间大小相等，相位相同，称之为共模噪声电流。共模噪声电流的大小与分布电容的大小、dV／dt、dI／dt等有关。2

7、.2初级差模噪声电流图4所示是初级差模干扰电流示意图。在初级回路中，功率开关管Q1、高频变压器原边绕组Lp与输入滤波电容Ci构成了开关电源的输入直流变换回路，这个变换回路在正常工作时，会将输入的直流能量通过高频变压器传给次级。但在功率开关管Q1开关时，高频脉冲的上升和下降所引起的基波及谐波会沿着输入滤波电容Ci传向输入供电端，这种沿着输入电源线正负端传播的噪声电流称之为初级差模噪声电流IDIFF。图4初级差模噪声电流示意图这种差模干扰电流IDIFF经输入电源线流向公共供电端，特别是当输入滤波电容Ci滤

8、波不足时，对输入电源线的干扰很大，它还会通过公共的供电端干扰系统的其它部分，从而使其它部分的性能指标降低。2.3次级差模噪声电流图5次级差模噪声电流示意图次级差模干扰电流示意图如图5所示。在开关电源的次级回路中，高频变压器副边绕组Ls和整流二极管V2负责将输入的能量传给负载。输出滤波电感L、输出滤波电容Co对高频部分进行滤波。整流二极管V2的作用是将次级绕组的脉冲波整流成直流。脉冲波为高电平时，整流二极管导通，此时将能量传给负载，脉冲波为低电平时截止，输