开关电源

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：

• CE

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：

• EMI滤波器

典型包括：

• 共模电感
• X电容
• Y电容

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

• EMI滤波器
• 共模电感
• X电容
• Y电容
• CE
• RE
• 振铃现象
• MOSFET