開關電源也叫交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。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。開關電源的輸入多半是交流電源（例如市電）或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設備，例如個人電腦，而開關電源就進行兩者之間電壓及電流的轉換。

 

 

開關電源不同于線性電源，開關電源利用的切換晶體管多半是在全開模式（飽和區）及全閉模式（截止區）之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節省能源，產生廢熱較少。理想上，開關電源本身是不會消耗電能的。電壓穩壓是透過調整晶體管導通及斷路的時間來達到。相反的，線性電源在產生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區，本身也會消耗電能。開關電源的高轉換效率是其一大優點，而且因為開關電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。

 

開關電源中的電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。通常傳導干擾比較好分析，可以將電路理論和數學知識結合起來，對電磁干擾中各種元器件的特性進行研究;但對輻射干擾而言，由于電路中存在不同的干擾源的綜合作用，又涉及到電磁場理論，分析起來比較困難。

 

傳導干擾可分為共模(CM)干擾和常模(DM)干擾。由于寄生參數的存在以及開關電源中開關器件的高頻開通與關斷，開關電源在其輸入端(即交流電網側)產生較大的共模干擾和常模干擾。

 

變換器工作在高頻情況時，由于dvldt很高，激發變壓器繞組間以及開關管與散熱片間的寄生電容，從而產生共模干擾。

 

根據共模干擾產生的原理，實際應用時常采用以下幾種抑制方法:

 

(1)優化電路元器件布置，盡量減少寄生、糯合電容。

(2)延緩開關的開通、關斷時間，但這與開關電源高頻化的趨勢不符。

(3)應用緩沖電路，減緩dv/dt的變化率。變換器中的電流在高頻情況下作開關變化，從而在輸人、輸出的濾波電容上產生很高的dv/dt，即在濾波電容的等效電感或阻抗上感應出干擾電壓，這時就會產生常模干擾。故選用高質量的濾波電容(等效電感或阻抗很低)可以降低常模干擾。

 

輻射干擾又可分為近場干擾[測量點與場源距離<λ/6(λ為干擾電磁波波長)]和遠場干擾(測量點與場源距離>λ/6)。由麥克斯韋電磁場理論可知，導體中變化的電流會在其周圍空間產生變化的磁場，而變化的磁場又產生變化的電場。兩者都遵循麥克斯韋方程式。而這一變化電流的幅值和頻率決定了產生電磁場的大小以及其作用范圍。在輻射研究中天線是電磁輻射源，在開關電源電路中，主電路中的元器件、連線都可以認為是天線，可以應用電偶極子和磁偶極子理論來分析。分析時，二極管、開關管、電容等可看成電偶極子;電感線圈可以認為是磁偶極子，再以相關的電磁場理論進行綜合分析就可以了。

 

需要注意的是，不同支路的電流相位不一定相同，在磁場計算時這一點尤其重要。相位不同，一是因為干擾從干擾源傳播到測量點存在時延作用(也稱遲滯效應);二是因為元器件本身的特性導致相位不同。如電感中電流相位比其他元器件要滯后。遲滯效應引起的相位滯后是信號頻率作用的結果，僅在頻率很高時作用才較明顯(如GHz級或更高);對于功率電子器件而言，頻率相對較低，故遲滯效應作用不是很大。

 

在開關電源產生的兩類干擾中，傳導干擾由于經電網傳播，會對其他電子設備產生嚴重的干擾，往往引起更嚴重的問題。常用的抑制方法有緩沖器法，減少搞合路徑法，減少寄生元件法等。近年來，隨著對電子設備電磁干擾的限制越來越嚴格，又出現了一些新的抑制方法，主要集中在新的控制方法與新的無源緩沖電路的設計等幾個方面。

 

調制頻率控制

 

干擾是根據開關頻率變化的，干擾的能量集中在這些離散的開關頻率點上，所以很難滿足抑制電磁干擾(EMI)的要求。通過將開關信號的能量調制分布在一個很寬的頻帶上，產生一系列的分立邊頻帶，則干擾頻譜可以展開，干擾能量被分成小份分布在這些分立頻段上，從而更容易達到EMI標準。調制頻率控制就是根據這種原理實現對開關電源電磁干擾的抑制。

 

最初人們采用隨機頻率控制，其主要思想是在控制電路中加入一個隨機擾動分量，使開關間隔進行不規則變化。則開關噪聲頻譜由原來離散的尖峰脈沖噪聲變成連續分布噪聲，其峰值大大下降。具體辦法是，由脈沖發生器產生兩種不同占空比的脈沖，再與電壓放大器產生的誤差信號進行采樣選擇產生最終的控制信號。

 

但是，隨機頻率控制在開通時基本上采用PWM控制的方法，在關斷時才采用隨機頻率，因而其調制干擾能量不便控制，抑制干擾的效果不是很理想。而最新出現的調制頻率控制很好地解決了這些問題，其原理是，將主開關頻率進行調制，在主頻帶周圍產生一系列的邊頻帶，從而將噪聲能量分布在很寬的頻帶上，降低了干擾。這種控制方法的關鍵是對頻率進行調制，使開關能量分布在邊頻帶的范圍，且幅值受調制系數β的影響(調制系數β=△f/fm，△f為相鄰邊頻帶間隔，fm為調制頻率)，一般β越大調制效果越好。

 

無源緩沖電路設計

 

開關變換器中的電磁干擾是在開關管開關時刻產生的。以整流二極管為例，在開通時，其導通電源不僅引起大量的開通損耗，還產生很大的dvl巾，導致電磁干擾;而在關斷時，其兩端的電壓快速升高，有很大的dvl巾，從而產生電磁干擾。緩沖電路不僅可以抑制開通時的dvldt、限制關斷時的dvl白，還具有電路簡單、成本較低的特點，因而得到廣泛應用。但是傳統的緩沖電路中往往采用有源輔助開關，電路復雜不易控制，并有可能導致更高的電壓或電流應力，降低了可靠性。因此許多新的無源緩沖器應運而生。