原创 开关电源的尖峰干扰及其抑制

开关电源的尖峰干扰及其抑制

1引言

　　电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。

　　产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。

2滤波电路

为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。

2.1电源进线端滤波器

在电源进线端通常采用如图1所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。

图中各元器件的作用：

（1）L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。

L1,L2磁芯面积不宜太小，以免饱和。电感量几毫亨至几十毫亨。C1为电源跨接电容，又称X电容。用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。电容量取0.22μF～0.47μF。

（2）L3，L4，C2，C3用于滤除共模干扰信号。

L3，L4要求圈数相同，一般取10，电感量2mH左右。

C2，C3为旁路电容，又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大，影响设备的绝缘性能。

在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。故对差模信号电感L3、L4不起作用（见图2），但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。其等效电路如图3所示。

由等效电路知：

令L1=L2=M=L，UN=RCI1同时RCRL，则：

图1电源进线端滤波电路

(1)一般ωLRL，则：。式（1）表明，对共模信号Ug而言，共模电感呈现很大的阻抗。

2.2输出端滤波器

输出端滤波器大都采用LC滤波电路。其元件选择一般资料中均有。为进一步降低纹波，需加入二次LC滤波电路。LC滤波电路中L值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2匝为宜。电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。

图2共模电感对差模信号不起作用

如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。因为地线分布电感对抑制纹波极为不利。

导线长度l，线径d与其电感量的关系为：

L(μH)=0.002l[ln（4l/d)－1](2)

3二极管反向恢复时间引起之尖峰及其抑制

图3共模电感等效电路

以单端反激电源为例（见图4）

Us为方波，幅值为Um。功率管V截止时，VD1导通，而VD2截止。但当V导通时，Us极性反转。VD2导通，由于二极管之反向恢复特性，VD1不能立即截止，而是VD1，VD2同时导通。从而激起一个很大的电流尖峰。

（1）VD1反向恢复前期等效电路如图5所示。图中：R0为次级绕线电阻，引线电阻及二极管导通电阻之和；

L0为变压器漏感和引线电感之和。

图4单端反激电源电路

由等效电路可得：

i=Um/R0[1－e－(R0/L0)t](3)

假定R0=0.235Ω，L0=0.13μHUm=23V，而电流在0.3μs内达到Im,则可求出Im=41A。如此大的电流尖峰，若不加以抑制势必损坏器件。

图5VD1反向恢复前期等效电路

（2）VD1在反向恢复后期，接近关断状态，等效为一个结电容CD1：

由图6知,CD1两端电压UC（t）为：

UC(t)=Um＋U0e－atsin(ωt＋θ)(4)式中(5）

ɑ=R0′/2L0(6)

从以上各式看出，UC（t）是在Um基础上叠加一个Uoe－atsin(ωt＋θ)的正弦衰减振荡。在VD1两端激起一个电压尖峰。

图6VD1反向恢复后期等效电路

（3）由以上分析可看出，在反向恢复期间，由于二极管的反向恢复特性，二极管的电流不能突变。此效应与一个电感等效。为了抑制二极管尖峰，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。

RC网络的取值原则：C从0.01μF～0.1μF，由实验决定。串联电阻用于限制电容C的放电电流，也为了阻止由于回路阻抗而引起的共振，起阻尼作用。一般按下式选取：U0/I0≤R≤(R不宜小于4Ω)(7)

4几种噪声波的形成及抑制措施

图7 几种噪声波形

图7给出几种常见噪声波形。现对这些噪声波的形成原因及相应的抑制措施简述如下：

（1）噪声波形如图7（a）所示。

形成原因：辅助电源或基准电压稳定性不够所致。抑制措施：在相关部位并大电容。

（2）噪声波如图7（b）所示。

形成原因：布线不合理，引起交叉干扰。抑制措施：调整布线。

（3）噪声波形如图7（c）所示。

形成原因：由于变压器漏磁对采样形成干扰而引起自激，导致出现正弦振荡。抑制措施：变压器要适当加以屏蔽，且屏蔽层要接地。改进变压器绕制工艺。

（4）噪声波形如图7（d）所示。幅值变化随机、无规则。

形成原因：在于采样电阻所加电压过高或印制板绝缘不良。抑制措施：改进采样。

（5）噪声波形如图7（e）所示。

形成原因：整流二极管反向恢复期间引起的尖峰。抑制措施：在二极管上并电容C或RC。

5结语

本文所述几种方法已成功地运用于我公司的产品PM48－25上。但由于产生尖峰干扰原因很多，因而其抑制措施也要视具体情况而定。只要对具体电路作出具体分析，找出干扰源，采取相应的抑制措施，就能取得较好的抑制效果。