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开关电源如何工作 主要应用在什么领域-开关电源噪音来源与抑制噪音方法详解-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2019-01-25 

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开关电源 噪音

开关电源概述

开关模式电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS),又称交换式电源、开关变换器,是一种高频化电能转换装置,是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压,透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的输入多半是交流电源(例如市电)或是直流电源,而输出多半是需要直流电源的设备,例如个人电脑,而开关电源就进行两者之间电压及电流的转换。


开关电源不同于线性电源,开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换,这两个模式都有低耗散的特点,切换之间的转换会有较高的耗散,但时间很短,因此比较节省能源,产生废热较少。理想上,开关电源本身是不会消耗电能的。电压稳压是透过调整晶体管导通及断路的时间来达到。相反的,线性电源在产生输出电压的过程中,晶体管工作在放大区,本身也会消耗电能。开关电源的高转换效率是其一大优点,而且因为开关电源工作频率高,可以使用小尺寸、轻重量的变压器,因此开关电源也会比线性电源的尺寸要小,重量也会比较轻。


若电源的高效率、体积及重量是考虑重点时,开关电源比线性电源要好。不过开关电源比较复杂,内部晶体管会频繁切换,若切换电流尚加以处理,可能会产生噪声及电磁干扰影响其他设备,而且若开关电源没有特别设计,其电源功率因数可能不高。


开关电源的主要用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器,电子冰箱,液晶显示器,LED灯具,通讯设备,视听产品,安防监控,LED灯带,电脑机箱,数码产品和仪器类等领域。


开关电源的噪音来源

噪音来源于PCB设计、电路振荡和磁元件三方面:


1、电路震荡

电源输出有很大的低频稳波。多是电路稳定余度不够引起。理论上可以用系统控制理论中的频域法/时域法或劳斯判据做理论分析。现在,可以用计算机仿真方法方便的验证电路稳定性,以避免自激振荡发生,有多款软件可以用。对于已经做好的电路,可以增加输出滤波电容或电感、改变信号反馈位置、增加PI调节的积分电容、减少开环放大倍数等方法改善。


2、PCB设计

主要是EMI噪音引起,射频噪音调整PI调节器,使输出误差信号中包含扰动。主要查看高频电容是否离开关元件太远,是否有大的C形环绕布线等。

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控制电路的PCB线至少有两点以上和功率电路共用。PCB覆铜线并非理想导体,它总是可以等效成电感或电阻体,当功率电流流过了和控制回路共用的PCB线,在PCB上产生电压降落,控制电路各节点分散在不同位置时,功率电流引起的电压降对控制网络家入了扰动,使电路发出噪音。这显现多发生在功率地线上,注意单点接地可以改善。


3、磁元件

磁材有磁至应变的特点,漆包线也会在泄露磁场中受到电动力的左右,这些因素的共同作用下,局部会发生泛音或1/N频率的共振。改变开关频率和磁元件浸漆可以改善。


噪音干扰源

由以上分析可以知道开关电源中的噪声干扰源很多,干扰途径是多种多样的,影响较大的噪声干扰源可以归纳为以下三种:


1、二极管的反向恢复时间引起的干扰。


2、开关管工作时产生的谐波干扰。

功率开关管在导通时流过较大的脉冲电流,在截止期间,高频变压器绕组漏感引起的电流突变,也会产生尖峰干扰。


3、交流输入回路产生的干扰。

开关电源输入端整流管在反向恢复期间也会引起高频衰减振荡产生干扰。一般整流电路后面总要接比较大的滤波电容,因而整流管的导通角较小,会引起很大的充电电流,使交流输入侧的交流电流发生畸变,影响了电网的供电质量。另外,滤波电容的等效串联电感对产生干扰也有较大的影响。


所有这些干扰按传播途径可以分为传导干扰和辐射干扰两类。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量通过开关电源输入输出线传播出去形成的干扰称为传导干扰。谐波和寄生振荡的能量,通过输入输出线传播时,在空间产生电场和磁场,这些通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。

正因为开关电源本身就是一个强干扰源、所以除了电路上采取措施抑制其电磁干扰产生外,还应对开关电源进行有效的电磁屏蔽,滤波以及接地。


开关电源噪音抑制的方法

形成电磁干扰的三要素是干扰源、传播途径和受扰设备,因而,抑制电磁干扰也应该从这三个方面着手。首先应该抑制干扰源,直接消除干扰原因;其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射,切断电磁干扰的传播途径;第三是提高受扰设备的抗扰能力,降低其对噪声的敏感度。第三点不是本文讨论的范围。


采用功率因数校正(PFC)技术和软开关功率变换技术能大大降低噪声幅度。


1、电路上的措施

开关电源产生电磁干扰的主要原因是电压和电流的急剧变化,因此需要尽可能地降低电路中的电压和电流的变化率(du/dt、di/dt)。采用吸收电路也是抑制电磁干扰的好办法。吸收电路的基本原理就是开关断开时为开关提供旁路,吸收蓄积在寄生分布参数中的能量,从而抑制干扰发生。常用的吸收电路有RC、RCD、LC无源吸收网络和有源吸收网络。


滤波是抑制传导干扰的一种很好的方法。例如,在电源输入端接上滤波器可以抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰,也可以抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。在滤波电路中,还采用很多专用的滤波元件,如穿心电容器,三端电容器,铁氧体磁环,他们能够改善电路的滤波特性。恰当的设计或选择滤波器,并正确地安装滤波器,是抗干扰技术的重要组成部分。


2、结构上的措施:屏蔽

屏蔽是解决电磁兼容问题的重要手段之一,目的是切断电磁波的传播途径。大部分电磁兼容问题都可以通过电磁屏蔽来解决。用电磁屏蔽的方法解决电磁干扰问题的最大好处是不会影响电路的正常工作。

屏蔽分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。


对开关电源来说,主要是要做好机壳的屏蔽、高频变压器的屏蔽、开关管和整流二极管的屏蔽以及控制、驱动电路的屏蔽等,并要通过各种方法提高屏蔽效能。


开关电源的工作原理详解

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开关电源的伯特图


开关电源的工作过程相当容易理解,在线性电源中,让功率晶体管工作在线性模式,与线性电源不同的是,PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态,在这两种状态中,加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的(在导通时,电压低,电流大;关断时,电压高,电流小)/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。


与线性电源相比,PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”,即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。


脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波,其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定,其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器,可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于,误差放大器的输出(误差电压)在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。


开关电源有两种主要的工作方式:正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小,但是工作过程相差很大,在特定的应用场合下各有优点。


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