開關電源電磁干擾與出現(xiàn)電感嘯叫聲音的解決方法

　　開關電源（英文：Switching Mode Power Supply），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。

　　開關電源電磁干擾的解決：

　　開關電源存在著共模干擾和差模干擾兩種電磁干擾形式。根據(jù)分析的電磁干擾源， 結合它們的耦合途徑， 可以從EMI 濾波器、吸收電路、接地和屏蔽等幾個方面來抑制干擾， 把電磁干擾衰減到允許限度之內。

　　1.交流輸入EMI 濾波器

　　濾波是一種抑制傳導干擾的方法， 在電源輸入端接上濾波器可以抑制來自電網(wǎng)的噪聲對電源本身的侵害， 也可以抑制由開關電源產生并向電網(wǎng)反饋的干擾。電源濾波器作為抑制電源線傳導干擾的重要單元， 在設備或系統(tǒng)的電磁兼容設計中具有極其重要的作用。電源進線端通常采用如圖1 所示的EMI 濾波器電路。該電路可以有效地抑制交流電源輸入端的低頻差模騷擾和高頻段共模騷擾。在電路中， 跨接在電源兩端的差模電容Cx1、Cx2 （ 亦稱X 電容） 用于濾除差模干擾信號， 一般采用陶瓷電容器或聚脂薄膜電容器， 電容值通常取0.1~ 0. 47F。而中間連線接地的共模電容Cy1和Cy2 （ 亦稱Y 電容） 則用來短路共模噪聲電流， 取值范圍通常為C1=C2 # 2 200 pF。抑制電感L1、L2 通常取100~ 130H， 共模扼流圈L 是由兩股等同并且按同方向繞制在一個磁芯上的線圈組成， 通常要求其電感量L#15~ 25 mH。當負載電流渡過共模扼流圈時， 串聯(lián)在火線上的線圈所產生的磁力線和串聯(lián)在零線上線圈所產生的磁力線方向相反， 它們在磁芯中相互抵消。因此， 即使在大負載電流的情況下， 磁芯也不會飽和。而對于共模干擾電流， 兩個線圈產生的磁場是同方向的， 會呈現(xiàn)較大電感， 從而起到衰減共模干擾信號的作用。

　　2.利用吸收電路

　　開關電源產生EMI 的主要原因是電壓和電流的急劇變化， 因而需要盡可能地降低電路中電壓和電流的變化率（ du/ dt 和di/ dt ） 。采取吸收電路能夠抑制EMI， 其基本原理就是在開關關斷時為其提供旁路， 吸收積蓄在寄生分布參數(shù)中的能量， 從而抑制干擾的發(fā)生?？梢栽陂_關管兩端并聯(lián)如圖2（ a） 所示的RC 吸收電路， 開關管或二極管在開通和關斷過程中， 管中產生的反向尖峰電流和尖峰電壓， 可以通過緩沖的方法予以克服。緩沖吸收電路可以減少尖峰電壓的幅度和減少電壓波形的變化率， 這對于半導體器件使用的安全性非常有好處。與此同時， 緩沖吸收電路還降低了射頻輻射的頻譜成份， 有益于降低射頻輻射的能量。箝位電路主要用來防止半導體器件和電容器被擊穿的危險。兼顧箝位電路保護作用和開關電源的效率要求，TVS 管的擊穿電壓選擇為初級繞組感應電壓的1. 5倍。當TVS 上的電壓超過一定幅度時， 器件迅速導通， 從而將浪涌能量泄放掉， 并將浪涌電壓的幅值限制在一定的幅度。在開關管漏極和輸出二極管的正極引線上可串聯(lián)帶可飽和磁芯線圈或微晶磁珠， 材質一般為鈷， 當通過正常電流時磁芯飽和， 電感量非常小。一旦電流要反向流過時， 它將產生非常大的反電勢， 這樣就能有效地抑制二極管的反向浪涌電流。

　　3.屏蔽措施

　　抑制輻射噪聲的有效方法就是屏蔽?？梢杂脤щ娦阅芰己玫牟牧蠈﹄妶鲞M行屏蔽， 用磁導率高的材料對磁場進行屏蔽。為了防止變壓器的磁場泄漏， 使變壓器初次級耦合良好， 可以利用閉合磁環(huán)形成磁屏蔽，如罐型磁芯的漏磁通就明顯比E 型的小很多。開關電源的連接線， 電源線都應該使用具有屏蔽層的導線，盡量防止外部干擾耦合到電路中?；蛘呤褂么胖椤⒋怒h(huán)等EMC 元件， 濾除電源及信號線的高頻干擾。但是， 要注意信號頻率不能受到EMC 元件的干擾， 也就是信號頻率要在濾波器的通帶之內。整個開關電源的外殼也需要有良好的屏蔽特性， 接縫處要符合EMC規(guī)定的屏蔽要求。通過上述措施保證開關電源既不受外部電磁環(huán)境的干擾也不會對外部電子設備產生干擾。

　　4.變壓器的繞制

　　在設計高頻變壓器時必須把漏感減到最小。因為漏感越大， 產生的尖峰電壓幅值越高， 漏極箝位電路的損耗就越大， 這必然導致電源效率降低。減小變壓器的漏感通常采用減少原邊繞組的匝數(shù)、增大繞組的寬度、減小各繞組之間的絕緣層等措施。

　　變壓器主要的寄生參數(shù)為漏感、繞組間電容、交叉耦合電容。變壓器繞組間的交叉耦合電容為共模噪聲流過整個系統(tǒng)提供了通路。

　　在變壓器的繞制過程中采用法拉第屏蔽來減小交叉耦合電容。法拉第屏蔽簡單來說就是用銅箔或鋁箔包繞在原邊繞組和副邊繞組之間， 形成一個表面屏蔽層隔離區(qū)， 并接地， 其中原邊繞組和副邊繞組交錯繞制， 以減小交叉耦合電容。在安裝規(guī)程上一般要求散熱器接地， 那么開關管漏極與散熱器之間的寄生電容就為共模噪聲提供了通路， 可以在漏極和散熱器之間加一銅箔或鋁箔并接地以減小此寄生電容。

　　5.接地技術的應用

　　開關電源需要重視地線的連接， 地線承擔著參考電平的重任， 特別是控制電路的參考地， 如電流檢測電阻的地電平和無隔離輸出的分壓電阻的地電平。

　　（ 1） 設備的信號接地。設備的信號接地， 可能是以設備中的一點或一塊金屬來作為信號的接地參考點，它為設備中的所有信號提供了一個公共參考電位。如浮地和混合接地， 另外還有單點接地和多點接地。

　　（ 2） 設備接大地。在工程實踐中， 除認真考慮設備內部的信號接地外， 通常還將設備的信號地， 機殼與大地連在一起， 以大地作為設備的接地參考點。

　　控制信號的地電平衰減應盡可能的小， 因此， 采用控制部分一點接地， 然后將公共連接點再單點接至功率地。這種接地方式可以使噪聲源和敏感電路分離。另外， 地線盡量鋪寬， 對空白區(qū)域可敷銅填滿， 力求降低地電平誤差和EMI。

　　在裝置中盡量采用表面貼裝元器件， 使組裝密度更高， 體積更小， 重量更輕， 可靠性更高， 高頻特性好，減小電磁和射頻干擾。

　　6.PCB 元件布局及走線

　　PCB 中帶狀線、電線、電纜間的串間是印刷電路板線路中存在最難克服的問題之一［ 7］ 。開關電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小、通路的環(huán)路面積、以及電流頻率的平方的乘積成正比， 因此PCB 的布局設計將直接關系到整機電磁兼容性能。在設計開關電源印制電路板時， 必須從布局及走線的優(yōu)化設計著手。

　?。?1） 印制板布線地通常要符合以下原則

　　1、 輸入、輸出端用的導線應盡量避免相鄰平等。最好加線間地線， 以免發(fā)生反饋耦合;

　　2、 印制板導線盡量采用寬線， 尤其是電源線和地線;

　　3、 印制導線拐彎處一般采取圓弧形;

　　4、專用零伏線、電源線的走線寬度（1 mm， 電源線和地線盡可能靠近等。

　?。?2） 元器件布局時通常要符合以下原則

　　1、按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置， 使布局便于信號流通， 并使信號盡可能保持一致的方向。

　　2、 以每個功能電路的核心元件為中心， 圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上， 盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

　　3、 在高頻下工作的電路， 要考慮元器件之間的分布參數(shù)。一般電路應盡可能使元器件平等排列。

　　4、位于電路板邊緣的元器件， 離電路板邊緣的距離一般不小于2 mm。

　　開關電源出現(xiàn)電感嘯叫聲音的解決：

　　凡是做過開發(fā)工作的人員都有這樣的經歷，測試開關電源或在實驗中有聽到類似產品打高壓不良的漏電聲響或高壓拉弧的聲音不請自來：其聲響或大或小，或時有時無；其韻律或深沉或刺耳，或變化無常者皆有。

　　1、變壓器（Transformer）浸漆不良：包括未含浸凡立水（Varnish）。嘯叫并引起波形有尖刺，但一般帶載能力正常，特別說明：輸出功率越大者嘯叫越甚之，小功率者則表現(xiàn)不一定明顯。一款72W的充電器產品中就有過帶載不良的經驗，并在此產品中發(fā)現(xiàn)對磁芯的材質有著嚴格的要求。（此款產品客戶要求較為嚴格）補充一點，當變壓器的設計欠佳也有可能工作時振動產生異響。

　　2、 PWM IC接地走線失誤：通常產品表現(xiàn)為會有部分能正常工作，但有部分產品卻無法帶載并有可能無法起振的故障，特別是應用某些低功耗IC時，更有可能無法正常工作。

　　3、光耦（Opto Coupler）工作電流點走線失誤：當光耦的工作電流電阻的位置連接在次級濾波電容之前時也會有嘯叫的可能，特別是當帶載越多時更甚。

　　4、基準穩(wěn)壓（Regulator）IC TL431的接地線失誤：同樣的次級的基準穩(wěn)壓IC的接地和初級IC的接地一樣有著類似的要求，那就是都不能直接和變壓器的冷地熱地相連接。如果連在一起的后果就是帶載能力下降并且嘯叫聲和輸出功率的大小呈正比。

　　當輸出負載較大，接近電源功率極限時，開關變壓器可能會進入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關管占空比過大，導通時間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量；直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經PWM判斷在下一個周期內沒有產生令開關管導通的驅動信號或占空比過??；開關管在之后的整個周期內為截止狀態(tài)，或者導通時間過短;儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關管下一個周期內的占空比又會大……如此周而復始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動，發(fā)出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。

　　當單位時間內間歇性全截止周期數(shù)量達到總周期數(shù)的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“嘯叫”。此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來，相信有些用戶曾經有過類似的經歷。

　　5、空載

　　或者負載很輕時開關管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截止周期，開關變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。針對此問題，可通過在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節(jié)省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當不帶載或者負載太輕時，變壓器在工作時所產生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。

　　這個雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當?shù)皖l波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發(fā)出聲音。我們知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ。所以我們在設計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來看，你最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激。或者是將你的開關電源做成固定頻率的即可。

　　6、大功率開關電源短路嘯叫

　　相信大家遇到過這種情況，開關電源在滿載后突然將電源短路測試，有時候會聽到電源有嘯叫的情況；或者是在設置電流保護時，當電流調試到某一段位，會有嘯叫，其嘯叫的聲音抑揚頓挫，甚是煩人，究其原因主要為以下：

　　當輸出負載較大，接近電源功率極限時，開關變壓器可能會進入一種不穩(wěn)定狀態(tài)：前一周期開關管占空比過大，導通時間過長，通過高頻變壓器傳輸了過多的能量;直流整流的儲能電感本周期內能量未充分釋放，經PWM判斷，在下一個周期內沒有產生令開關管導通的驅動信號或占空比過小;開關管在之后的整個周期內為截止狀態(tài)，或者導通時間過短;儲能電感經過多于一整個周期的能量釋放，輸出電壓下降，開關管下一個周期內的占空比又會大……

　　如此周而復始，使變壓器發(fā)生較低頻率（有規(guī)律的間歇性全截止周期或占空比劇烈變化的頻率）的振動，發(fā)出人耳可以聽到的較低頻率的聲音。 同時，輸出電壓波動也會較正常工作增大。當單位時間內間歇性全截止周期數(shù)量達到總周期數(shù)的一個可觀比例時，甚至會令原本工作在超聲頻段的變壓器振動頻率降低，進入人耳可聞 的頻率范圍，發(fā)出尖銳的高頻“哨叫”。此時的開關變壓器工作在嚴重的超載狀態(tài)，時刻都有燒毀的可能——這就是許多電源燒毀前“慘叫”的由來，相信有些用戶曾經有過類似的經歷。 空載，或者負載很輕時開關管也有可能出現(xiàn)間歇性的全截止周期，開關變壓器同樣工作在超載狀態(tài)，同樣非常危險。

　　針對此問題，可通過在輸出端預置假負載的方法解決，但在一些“節(jié)省”的或大功率電源中仍偶有發(fā)生。當不帶載或者負載太輕時，變壓器在工作時所產生的反電勢不能很好的被吸收。這樣變壓器就會耦合很多雜波信號到你的1.2繞組。

　　這個雜波信號包括了許多不同頻譜的交流分量。其中也有許多低頻波，當?shù)皖l波與你變壓器的固有振蕩頻率一致時，那么電路就會形成低頻自激。變壓器的磁芯不會發(fā)出聲音。我們知道，人的聽覺范圍是20--20KHZ.所以我們在設計電路時，一般都加上選頻回路。以濾除低頻成份。從你的原理圖來看，你最好是在反饋回路上加一個帶通電路，以防止低頻自激?；蛘呤菍⒛愕拈_關電源做成固定頻率的即可。

　　實例：

　　我們現(xiàn)在就來分析下此電路關鍵器件對性能參數(shù)的影響，限流電阻R=R110//R111//R112//R113//R114。

　　該電阻的作用是檢測輸出電流，當輸出電流超過閥值時，將關閉輸出電流。根據(jù)負載瞬態(tài)最大電流的要求來調整限流電阻的取值，使最大輸出電流不小于瞬態(tài)最大電流。

　　R115，R116調整輸出電壓Vo=1.25*（1+R116/R115）。

　　C112為內部震蕩電路的頻率調整電容，電容變小，則頻率升高，一般情況，輸出方波頻率等于該震蕩頻率。頻率越高輸出紋波越小。

　　L110電感量越大，則輸出紋波越小，紋波的大小還會影響到輸出電壓調整的靈敏度，紋波越小，靈敏度越高，輸出電壓越穩(wěn)定。但是芯片的SE腳將出現(xiàn)雜亂的窄脈沖開關電流波形，L110電感容易嘯叫。紋波越大，輸出靈敏度越低，輸出電壓穩(wěn)定度降低，SE腳出現(xiàn)開關電流頻率較穩(wěn)定，L110電感不會嘯叫。

　　C115的ESR越小，則允許流經電容的紋波電流越大，保證電容使用壽命的同時，紋波電壓也越小。同樣電容的容量越大，紋波電壓也越小。

　　R117為反饋電阻，把輸出方波疊加在鋸齒波上，可以降低電壓調整靈敏度，穩(wěn)定輸出方波電流，避免電感嘯叫。

　　穩(wěn)壓電源電路輸出的開關電流的頻率接近或落入音頻范圍，或周期性方波群的周期頻率接近或落入音頻范圍。周期性電流經過電感線圈，產生交變磁場，該電感線圈在交變磁場作用下產生振動而發(fā)出聲音。

　　34063的輸出穩(wěn)壓是以PWM方式實現(xiàn)的，芯片的最大占空比的限制以及輸出電壓，決定了最低輸入電壓，而芯片的耐壓決定了最高輸入電壓，在電壓調整靈敏度適當?shù)那闆r下，輸入電壓變高，則輸出方波脈寬變窄，即占空比變小，當輸入電壓高到某個數(shù)值時，占空比無法再小，為了繼續(xù)穩(wěn)壓，不同的芯片有不同的處理方式，有的降低頻率，有的則周期性的丟棄一些脈沖。

　　周期性丟棄的脈沖群如果周期頻率接近或落入音頻范圍，就會發(fā)生電感嘯叫的情況，而如果降頻處理后的開關電流的頻率接近或落入音頻范圍，也會引起電感的嘯叫。

　　解決方法

　　提高輸出開關電流的頻率。

　　當“輸入輸出比”較大時，對于會周期性丟棄脈沖的芯片來講，可調整如上圖所示C112，降低頻率，來獲取更大的占空比調整范圍，避免出現(xiàn)周期性的方波群落入音頻的范圍，從而避免電感的嘯叫。

　　調整R117反饋電阻，即改變電壓調整靈敏度，避免開關電流頻率出現(xiàn)接近或落入音頻周期范圍內的周期性方波群。從而避免電感的嘯叫。

　　添加C111電容，降低電壓調整靈敏度，避免開關電流頻率出現(xiàn)接近或落入音頻周期范圍內的周期性方波群。從而避免電感的嘯叫。

　　在紋波允許范圍內，適當加大紋波幅度，必要的話多加一級濾波。

　　L110 電感改善工藝，減小振動嘯叫，如要求供應商增加浸漆工序等。