开关电源的抗干扰技术

上传者：翟轶强
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开关电源的抗干扰技术

《电工技术杂志》２００３年第１０期

开关电源的抗干扰技术

璩克旺陶生桂毛明平

（同济大学电气工程系２００３３１）Ｗ舶Ａ

摘要从电路的隔离、接地、ＰＣＢ板的布局与布线几方面，对开关电源电路的抗干扰措

施进行了详尽的分析讨论，以确保开关电源的正常工作。

关键词隔离接地抗干扰电磁兼容

１引言

电力电子技术的迅猛发展－方面带动了电源技

术的发展，另一方面也给电源产品提出了越来越高

的要求。开关电源具有体积小、重量轻、效率高等

优点，但功率密度的增大和频率的提高所产生的电

磁干扰对电源本身及周嗣电子没备的正常工作都造

成威胁，为了确保开关电源工作的Ⅱ』靠性，必须进

行抗干扰设Ｉｒ。抗干扰措施包括电路的隔离、接

地、ＰＣＢ板的布局与布线、滤波器和屏蔽，这里

仅对电路的隔离、接地、ＰＣＢ板的布局与布线这

几种抗干扰措施进行分析讨论。

对于开关电源的开关管在开关过程中产生的

ｄ“／ｄ￡、ｄｉ／ｄｔ的电压和电流应力，一般采用尖峰

抑制器、阻容吸收电路和软开关技术来改善，并对

电磁兼容中的电磁干扰和电磁辐射起到了一定的抑

制作用，此类问题在很多文章中均有介绍，在此不

再作分析。在开关电源巾，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。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。开关电源的模拟信号控制系统的隔离与测量系统中模拟信号的隔离类似，即交流信号一般采用变压器隔离，直流信号一般采用线性隔离器（如线性光电耦合器）隔离。数字电路的隔离主要有：脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离等。其中数字量输入隔离方式主要采』Ｈ脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、高频变压器隔离（个别情况下采用）。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，使开关电源符合电磁兼容性的要求。２．２变压器耦合隔离２．２．１变压器耦合变压器只能传输交流信号，不能传输卣流信

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２电路的隔离

２．１开关电源电路隔离方式

开关电源包括两部分，即变换部分与控制部

分。前者属于功率流强电范畴，后者属于信息流弱

电范畴。一般情况下前者是主电磁干扰源，后者是

被干扰对象。为ｒ使电力电子设备可靠地运行，除

ｒ解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还

要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变

换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其

重要。抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电

磁兼容问题。隔离技术是电磁兼容性中的蓖要技术

之一，并且随着数字式开关电源的研究与开发，也

是提高单片机抗干扰能力的重要措施。中流过，不流经地线，也可以避免对其他电路的干扰，如图１所示。图１变压器耦合２．２．２脉冲变压器隔离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，这种工艺使得它的分市电容很小，仅为几个皮法，所以可作为脉冲一２５—

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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。一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在ｌｋＨｚ～１ＭＨｚ之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到１０ＭＨｚ。图２ａ是脉冲变压器的示意图。脉冲变压器主要用于晶闸管ＳＣＲ、大功率晶体管ＣＴＲ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等可控器件的控制隔离中。图２ｂ是脉冲变压器在开关电源中的应朋实例。

（３）光电耦合器作为开关应用时，具有耐用、

可靠性高和速度快等优点，响应时间一般在微秒以内，高速型光电耦合器响应时间有的甚至小于

１０ｎｓ。

（４）由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易

使半导体二极管发光，可以避免产生反馈和干扰。

由于以上特点，用光电耦台器把输入信号与输

出信号隔离开来，把两电路问的地环回路完全隔断，更有效地抑制了地线干扰，提高了开关电源的抗干扰能力，如图３所示。

（ａ）脉冲变压器

ｒ，。

输出

（ｂ）脉冲变压器在开关电源中的应用图３光耦用于输入信号与输出信号隔离

图２脉冲变压器的应用

在图４的开关电源中我们采用电压环进行闭环调节实现输出电压的稳定输出，选用ＮＥＣ公司的ＰＳ２５０１光电耦合器作为输入采样、反馈信号、输出驱动与单片机之间隔离器件，一方面光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系统的电源相互独立，消除地电位不同所产生的影响。另一方面，光电耦合器提高了系统的抗干扰能力，起

２．３光电耦合器隔离

光电耦合器的特点如下：

（１）由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响，且光电耦合器的信号传递采取电光

电的形式，发光部分与受光部分不接触，因此

具有很高的绝缘电阻，光电耦合器的隔离电阻很大（约１０”ｎ），隔离电容很小（约几个皮法），并能承受２０００Ｖ以上的高压，因而被耦合的两个部分町以自成系统，也不需要“共地”，绝缘和隔离性都好，能够避免输出端对输入端可能产生的反馈和干扰。

（２）光电耦合器的发光二极管是电流驱动器件，动态电阻小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，所以具有很强的抑制噪声干扰能力。

：２。ｖ

图４光电耦合器在数字式开关电源中的应用

万方数据　

开关电源的抗干扰技术到了电磁兼容和隔离抗干扰的作用，不会因为电路中的高频电流的电磁干扰对单片机产生干扰，同时消除了电磁干扰而引起开关管误触发造成的损坏，而且线性度也比较好。

ＴＬ４３１是一个基准电压稳压器电路，具有很低的输出噪声和仅为５０ｐｐｍ／＇Ｃ的温度系数，可以降低温度的变化对光耦的影响，用作参考基准电源十分理想。在图４中电阻Ｒ。．和电容ｃ。组成地阻容网络在实际应用电路中是必不可少的，它主要用于频率补偿。

３接地技术

３．１接地

接地技术是开关电源抗干扰技术和电磁兼容技术的重要内容之一。

工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电压，而不会随着外界电磁场的变化而变化。但是不正确的工作接地反｝ｆｉｉ会增加干扰。比如共地线干扰、地环路干扰等。

为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作，根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。３．２交流电源地与直流电源地分开

一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的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，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，在开关电源中采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。

３．３模拟电路与数字电路的电源地分开

随着数字开关电源的开发，为了抑制对数字芯片的干扰，数字芯片与模拟电路必须进行隔离。在数字开关电源中，常用脉冲变压器和线性光电耦台器进行数字电路与模拟电路信号的隔离，以提高整

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方数据《电工技术杂志》２００３年第１０期

个电路的电磁兼容性。对数字芯片与模拟电路必须分别使用相＝耳＝独立的电源，即数字电路与模拟电路的电源地分开，以避免形成回路造成模拟电路对数字电路的干扰，实现真正的隔离，保证开关电源的可靠工作。如图４中所示，单片机与模拟电路分别使用相互独立的电源，ＣＯＭｌ与ＣＯＭ２是两个不同的电源地，以消除模拟电路对单片机的干扰。３．４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线。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。３．５减小地线干扰的措施

为了抑制电源和地线噪声，在开关电源产品殴计中可以采取以下措施：

（１）选用贴片元件和尽可能缩短元件的引脚长度，以减小元件分布电感的影响。

（２）在ｕ。。及ｕｃ（，电源端尽可能靠近器件接人滤波电容，以缩短开关电流的流通途径，用１０／ｚＦ铝电解和０．１，ｕＦ独石电容并联接在电源脚上。对于高速数字Ｉｃ的电源端可以用钽电解电容代替铝电解电容，因为钽电解电容的对地阻抗比铝电解电容小得多。

（３）印制板布局时，要将模拟电路区和数字电路区合理地分开，电源和地线单独引出，电源供给处汇集到一点；ＰＣＢ布线时，高频数字信号线要用短线，主要信号线最好集中在ＰＣＢ板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。

（４）印制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．

４印制电路板的抗干扰设计

４．１元器件的布局

影响印制电路板抗干扰性能的因素很多，其中

主要有：铜箔的厚度，印制导线的宽度、长度和相邻线之间的串扰，板内布局的不合理，以及导线的公共阻抗、导线和元器件在空间中产生的电磁场等。要使开关电源获得最佳性能，元器件的布局及导线的布设是很重要的。在高频开关电源中，由于

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《电工技术杂志》２００３年第１０期印制板上既有电平为±５Ｖ、±１５ｖ的小信号控制线，又有高压电源母线，同时还有一些高频功率开关、磁性元件，如何在印制板有限的空间内合理地安排元器件位置，将直接影响到电路中各元器件自身的抗干扰性和电路工作的可靠性。

在设计开关电源印制电路板时，良好的布局与布线技术是控制噪声的一个重要手段，为了减少噪声的产生和防止由于噪声所引起的误动作，在进行元器件的布局时，应该注意以下几点：

（１）应该根据印制板的安装方式，把易发热的元器件如稳压器、功率开关器件、变压器等安装在印制板的上方部位，以利于散热；热敏元件应远离发热元什。

（２）应尽量将相互关联的元器件摆放在一起以避免因器件离得太远而造成印制线过长所带来的干扰；在高频下工作的电路，要考虑元器件之问的分布参数，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；缓冲电路尽量贴近开关管和输出整流二极管。

（３）易受干扰的元器件不能相互挨得太近，输入和输出元件应尽量远离；脉冲电流流过的区域远离输入输出端子，使噪声源与出１１分离。

（４）应将输人信号和输出信号尽量放置在引线端口附近，以避免因耦合路径而产生的干扰。

（５）用多只ＥＳＩＲ低的电容并联滤渡，必要时可以将输出滤波电感安置在地回路Ｌ。

在双面印制板设计中，应该在所有的集成电路旁放置一个滤波电容，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。４．２印制板布线抗干扰的措施

印制电路板的抗干扰设计小仅与布局有关，而且与布线也有相当大的关系。开关电源ＰＣＢ抗］＝扰设计布线的原则如Ｆ：

（１）根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线、接地线宽度，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，这样有助于增强抗噪声能力；在装配密度很高的印制电路板时，多采用多层板，可使印制导线的直流电阻Ｒ和自感Ｌ减小，从而减小印制导线的特性阻抗；在双面板设计中，除尽鼍加粗电源线和地线的线条外，还应该在电源线和地线之间留出一定的宅间，一２８一

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以便安装高频特性好的去耦电容。

（２）控制回路与输出回路分开，采用单点接地方式，大面积接地容易引出天线作用，建议不要采用大面积接地方式。

（３）相邻电路之间不应该有过长的平行线，走线尽量避免平行；如果在设计印制电路板时平行走线无法避免，可在两条平行的信号线之间加一条地线，以起屏蔽作用；尽量拉开两条平行的信号线之间的距离，以降低两线之间电磁场的影响；使两条平行的信号线上流过的电流方向相反。

（４）印制导线拐弯处一般取圆弧形，而直角或夹角在高频电路中会影响电气性能；交叉用垂直方式，线宽不要突变，印制线也不要突然拐角，以免发生反馈耦合；高频元件周围尽量用栅格状、大面积地箔。

（５）电容引线不能太长，尤其是高频旁路电容不能有引线。

（６）数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它ｆｆＪ尽量分开。对于数字式开关电源电路组成的印制板，其接地电路布成闭环路大多能提高抗噪声能力。

５结束语

随着开戈电源的不断往高频化方向发展，其抗干扰问题显得越发重要。本文结合作者在开关电源领域的实际研发经验，综合ｒ国内外的相关资料，对开关电源的抗干扰技术做了比较全面、综合的归纳与总结。在开关电源的实际设计开发过程中，文中所列几种抗干扰措施是既相互独立的，义相互关联的，必须同时采用多种措施才能达到抗干扰效果，保证开关电源正常工作。

参考文献

ｌ

张志文，黄耀峰．电气设备外部噪声的抗干扰技术．西安工业学院学报，１９９９（３）

２胡存生，胡鹏集成开关电源的设计制作调试与维修．

北京：人民邮电出版社，１９９５

３沙占有，王彦明，王晓群线性光电耦合器在开关电源

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４杨向萍，王跃单片微型计算机实验指导上海：中国

纺织大学出版社，２００ｌ

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减小测力仪交叉干扰的算法研究

《电工技术杂志》２００３年第１０期