在电子设备的应用中,开关电源凭借其工作效率高、体积小的显著优点,相较于传统的线性电源,获得了极为广泛的应用。然而,开关电源内部开关管不停的通断,产生了较大的电压变化率(du/dt),使其成为产生传导发射的一个主要噪声源。并且由于它与电源线直接连接,其产生的噪声非常容易直接传导耦合到电源线上,从而造成电源线传导发射超标。
开关电源是产生传导发射的一个非常典型的例子。如果我们能够精通开关电源传导发射产生的机理以及有效的抑制方法,并在原理图设计阶段和 PCB 布局阶段能够有效采取这些干扰抑制措施,那么我们就能很好地掌握产品的传导发射抑制设计方法。
首先,我们要对开关电源的工作原理有一个定性的了解,这有助于我们有效识别其在工作过程中哪些地方是强的干扰源。只有识别出强干扰源,我们才能在源头上采取措施。不过,我们不需要像硬件工程师那样去系统学习开关电源的知识,而是要学会从电磁兼容工程师的视角来分析问题。
下图为开关电源的原理图:

图 1 开关电源原理图
接下来,我们逐个分析开关电源引起传导发射的机理。
开关电源的 AC 转 DC 部分是引起 CE101(25Hz - 10kHz)谐波发射的主要原因。在分析该部分时,我们将后面的部分等效为一个负载,因为后面部分电路主要影响 CE102(10kHz - 10MHz),对我们分析 CE101 谐波发射没有影响。开关电源的开关频率一般为几十 kHz 到几百 kHz,由于开关管的开关频率一般大于 10kHz,因此开关管开关给电路带来的传导骚扰主要落在 CE102 的频段,对 CE101 低频谐波发射没有影响。
下面我们来分析开关电源 CE101 传导发射是如何产生的。CE101 是由整流和滤波电路产生的。

图 2 整流和滤波电路

图 3 整流和滤波电路波形
从上图可以看出,当整流后的电压高于电容两端电压时,电容表现为低阻抗,电容开始充电,有充电电流;当电容充到电压后,整流的电压降低,电容电压高于整流电压,此时电容表现为高阻抗,电容为后面的负载提供电流,但不从电源线上吸取电流。因此,由于电容有充放电效应,电源线上的电流是周期性的,电容这种周期性的充电产生的电流给电路带来了扰动。比如电源频率为 50Hz,那么电容充电产生的电源线上电流也是 50Hz 周期尖峰电流,这样的电流会有高次谐波产生,从而给电路带来差模传导骚扰。由于电流基频是 50Hz,即使 10 次谐波也只有 500Hz,因此主要带来 CE101(25Hz - 10kHz)谐波发射问题。到 CE102(10kHz - 10MHz)频段,这种谐波电流的频谱已经衰减没了,因此不会带来 CE102 的问题。
接下来分析开关电源 CE102 是如何产生的。CE102 产生的源头是开关管的频繁开关在电路中产生了大的电压变化率(du/dt)和电流变化率(di/dt)。由于开关管的频率一般为几十 kHz 到几百 kHz,因此给电路带来的扰动主要集中在 CE102(10kHz - 10MHz)频段,会给电路带来差模和共模传导发射。
后面的文章我们会对差模和共模的源头、干扰传输路径和噪声抑制进行详细分析,下面给出开关电源的差模路径,下一篇我们会对这两幅图进行深入分析,大家可以先自我分析。
图 4 开关电源差模传导

图 5 开关电源差模传导等效电路
