开关电源的抗干扰分析 - 全文

　    引言

　　开关电源产生的干扰，按噪声干扰源种类来分，可以分为尖锋干扰和谐波干扰；若按耦合通路来分，可分为传导干扰和辐射干扰，开关电路框图如图1。

　　2　开关电源的主要干扰

　　2.1　一次整流回路的干扰

　　开关电源中的主要噪声干扰之一是由二极管断开时的反向恢复现象引起的，一次整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，它受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失前的一段时间，电流会反向流动，从而导致很大的电流变化。即一次整流回路的干扰。

　　2.2　开关回路的干扰

　　电源工作时，开关处于高频通断状态，在高频电流环路中，可能会产生较大的空间辐射噪声。

　　2.3　二次整流回路的干扰

　　电源工作时，整流二极管处于高频通断状态，由脉冲变压器、整流二极管以及滤波电容构成的高频开关电流环路，可能向空间辐射噪声。

　　2.4　控制回路的干扰

　　控制回路中的脉冲控制信号是主要的干扰源。

　　2.5　分布电容引起的噪声干扰

　　3　抗干扰措施

　　降低干扰是开关电源稳定工作的前提，其主要方法如下。

　　3.1　在电路设计上要优化布局

　　对于开关电路来说，合理的布局可以对电路中产生的辐射噪声加以抑制。

　　3.1.1　元器件布局时的抗干扰措施

　　（1）根据印制板的安装方式，将散热元器件如功率开关器件、稳压器、变压器等安装在印制板的上方，以利于散热；热敏元件应尽量远离散热元件。

　　（2）在高频电路中，尽可能缩短高频元器件之间的连线，设法减少它们的分布参数和相互间的电磁干扰；尽量减小由高频脉冲电流所包围的面积。

　　（3）输入和输出元件应尽量远离。

　　（4）在双面印制板设计中，适当加入滤波电容，以便减小电源线阻抗，缩小电流环路，使电路工作更加稳定可靠。

　　（5）尽量减少环路面积。这是减少辐射噪声的重要途径，为此，要求开关电源的元件彼此间紧密排列。

　　如图2为环路面积较大的开关电路，图3为环路面积较小的开关电路。

　　3.1.2　印制板（PCB）布线抗干扰的措施

　　印制电路板的抗干扰设计不仅与布局有关，而且与布线也有相当大的关系。布线的原则如下：

　　（1）相邻电路之间走线尽量避免平行；若平行走线无法避免，则应在平行信号线之间加一条起屏蔽作用的地线，且尽量加大平行信号线间距，以降低两线之间电磁干扰。

　　（2）控制回路与输出回路分开，采用单点接地方式。

　　（3）根据PCB板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线，减少环路阻抗；同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这有助于增强抗噪声能力；对于密度很高的PCB板，采用多层板；在双面板设计中，还应该在电源线和地线之间留出一定的空间，以便安装高频特性好的去耦电容。

　　（4）印制线不要突然拐角，以免发生反馈耦合。

　　（5）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

　　3.2　合理接地

　　电源系统的接地包括公共参考接地和安全及抗干扰接地。在电路设计中，要尽量减小接地回路中的公共电阻，且应遵循“一点接地”原则。如果形成多点接地，会出现闭合的接地环路，从而在磁力线穿过回路时将产生磁感应噪声。通常利用一个导电平面作为参考地，将接地的各部分就近接到该参考地上。

　　3.2.1　接地过程应遵循如下规则

　　（1）交流电源地与直流电源地分开。一般情况下交流电源的零线是接地的，且该零线上往往存在很多干扰，如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和直流电路的正常工作产生影响。通常采用“浮地技术”将交流电源地与直流电源地分开，这样可以隔离来自交流电源地线的干扰。

　　（2）功率地与弱电地分开。功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地。由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。因此功率地必须与其他弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。

　　3.2.2　为减小地线干扰，在元件及PCB布线上应采取如下措施

　　（1）尽可能缩短元件的引脚长度或者选用贴片元件，以减小元件分布电感的影响。

　　（2）在电源端尽可能靠近器件接入滤波电容，以缩短开关电流的流通途径。

　　（3）PCB板布局时，高频数字信号线要用短线，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。

　　（4）PCB板的电源线和地线印制条尽可能宽，以减小线阻抗，从而减小公共阻抗引起的干扰噪声。

　　3.3　采用适当的电路隔离方式

　　开关电源包括两部分，变换部分与控制部分。

　　一般的变换部分是主要的电磁干扰源，而控制部分是被干扰对象。为了使电气设备可靠地运行，抗干扰问题的实质是解决电气设备的电磁兼容问题。隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。在开关电源中，电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离等。隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声效果。

　　3.3.1　利用耦合变压器进行隔离

　　耦合变压器只能传输交流信号，不能传输直流信号。因此对地线的低频干扰具有较好的抑制能力，并且电路单元间传输的信号电流只能在变压器绕组中流过，不流经地线，也可以避免对其他电路的干扰。

　　3.3.2　使用脉冲变压器隔离

　　图4　光电耦合器电路脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁心的两侧，它的分布电容很小，仅为几个皮法，可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。

　　3.3.3　采用光电耦合器

　　进行隔离（图4）编译，编译后，还必须对单片机的熔丝位进行合理配置，才能利用AVRStudio调用WinAVR编译生成的Coff文件进行调试。最后，生成的hex文件即可直接下载到芯片中运行。此外，程序烧录完毕后，可通过AVRStudio4烧录锁存位进行加密。

　　操作器软件工作流程如图5所示。

　　3 结语

　　该操作器的工作电源由门机变频器的主控制板的DC稳压模块供给，系统掉电后的一段时间里，由于变频器储能模块的存在，使得操作器仍然可以比较从容的保存重要的参数信息。此外，工作稳定可靠，使用简单方便，成本低廉的优点，使得它具备良好的商业应用前景。