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开关电源

来自认证百科
开关电源
英文名称 Switching Mode Power Supply
常用简称 SMPS
核心原理 高频开关能量转换
典型频率 数十kHz ~ 数MHz
核心问题 EMI、振铃、共模电流
典型标准 CISPR 32 / CISPR 11


开关电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）

是一种通过：

  • 高频开关
  • 储能元件
  • PWM控制

实现电能转换的电源系统。

其广泛应用于：

  • 消费电子
  • 工业设备
  • AI服务器
  • 医疗设备
  • 通信系统
  • 电机驱动

等领域。

开关电源本质

开关电源本质属于：

高频能量转换系统

其核心包括：

  • 高频开关
  • 储能与释放
  • PWM调制
  • 闭环控制

与传统线性电源相比：

其最大特点包括：

  • 高效率
  • 小体积
  • 高功率密度

开关电源中的核心原理

开关电源：

通常通过：

  • MOSFET
  • IGBT
  • SiC MOSFET
  • GaN

进行高速开关。

通过：

  • 电感
  • 变压器
  • 电容

实现：

能量传输。

高频开关

开关电源中：

最核心部分包括：

高速开关节点

其特点包括：

  • 高 dv/dt
  • 高 di/dt
  • 高频谐波

因此：

EMI问题：

通常非常明显。

常见拓扑

典型开关电源拓扑包括：

拓扑 特点
Buck 降压
Boost 升压
Buck-Boost 升降压
Flyback 反激
Forward 正激
Half Bridge 半桥
Full Bridge 全桥
LLC 高频谐振

Flyback

反激电源：

属于：

最经典小功率拓扑之一。

其特点包括：

  • 结构简单
  • 成本低
  • 隔离方便

广泛应用于：

  • 适配器
  • 医疗电源
  • 工业电源

LLC

LLC：

属于：

高效率谐振拓扑。

其特点包括：

  • 高频化
  • 高效率
  • 低损耗

广泛应用于：

  • AI服务器
  • 高功率系统
  • 通信电源

开关电源中的EMI

开关电源：

属于：

EMI最主要来源之一。

原因包括：

  • 高频PWM
  • 高 dv/dt
  • 高频谐波
  • 振铃

因此：

SMPS：

通常属于：

EMC整改核心。

共模噪声

开关电源中：

最严重的问题之一：

即：

共模噪声

主要来源包括：

  • 开关节点寄生电容
  • 变压器寄生电容
  • 散热器耦合
  • 外壳耦合

其本质包括：

  • 高频位移电流

差模噪声

差模噪声：

主要来源包括：

  • 输入电流脉动
  • PWM谐波
  • 高频开关电流

其主要影响：

高频振铃

开关电源中：

非常常见的问题包括：

  • 振铃现象

主要原因包括：

  • 寄生电感
  • 寄生电容
  • 高频谐振

其本质属于：

LC高Q谐振。

振铃中的高频问题

即使：

开关频率只有：

100kHz

由于：

上升沿极快，

仍可能产生：

  • 数百MHz
  • GHz级谐波

因此：

RE问题：

往往十分复杂。

高频回流路径

开关电源中：

很多EMI问题：

本质属于：

高频回流路径问题

高频电流：

不会按照：

“直线最短路径”

流动。

而会自动寻找：

  • 最低阻抗路径

开关节点

开关节点：

通常属于：

EMI最严重区域。

典型特点包括：

  • 高频电压摆动
  • 高频电流尖峰
  • 强电场
  • 强磁场

因此：

PCB布局：

极其关键。

EMI滤波器

开关电源：

通常需要：

典型包括：

用于抑制：

  • 共模噪声
  • 差模噪声

Y电容

Y电容：

通常用于：

  • 共模泄放

但：

Y电容：

同时会带来：

  • 漏电流

因此：

医疗设备中：

要求非常严格。

高频磁场问题

高 di/dt 环路：

容易产生：

  • 强磁场辐射

尤其：

以下环路：

最关键：

  • MOS回路
  • 二极管回路
  • 输入高频环路

散热器问题

高压MOS散热器：

通常会通过：

寄生电容：

耦合：

  • 共模噪声

因此：

很多 RE 超标：

本质来自：

  • 散热器共模辐射

开关电源中的典型问题

问题 原因
CE超标 共模/差模噪声
RE超标 高频共模辐射
高频尖峰 振铃
宽带抬升 回流路径异常
EFT异常 PCB布局问题

医疗设备中的开关电源

医疗设备中：

开关电源：

通常要求更高。

原因包括：

  • 漏电流限制
  • EMC要求高
  • EMS要求高
  • 安全要求高

因此：

医疗电源：

通常需要：

  • 更严格滤波
  • 更严格隔离
  • 更低共模噪声

高频EMC特点

随着：

  • SiC
  • GaN
  • 高频PWM
  • AI服务器

发展，

开关电源问题越来越呈现：

  • 高频化
  • 宽带化
  • 共模化
  • 系统化

特点。

开关电源整改方向

整改通常包括：

  1. EMI滤波优化
  2. 回流路径优化
  3. 降低dv/dt
  4. RC Snubber
  5. Shield优化
  6. 共模路径控制
  7. 高频环路优化
  8. 变压器优化
  9. PCB布局优化

其中：

高频回流路径：

通常决定最终 EMC 性能。

工程重点

开关电源本质属于：

高频能量转换与高频EMI控制系统

很多EMI问题：

并非：

“滤波器不够”。

而是：

  • 高频回流路径
  • 共模结构
  • 寄生参数
  • 高频环路
  • 振铃

共同作用的结果。

参见

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