电源调试中的噪声分析与抑制方法研究

电源调试中的噪声分析与抑制方法研究

吴义杰

贵州航天林泉电机有限公司  

摘要：电源噪声是电子系统中常见的问题，对系统性能和可靠性造成不良影响。本文旨在研究电源调试中的噪声分析与抑制方法，通过对电源噪声的原因进行分析，并提出相应的抑制策略，以改善系统性能和可靠性。

关键词：电源噪声；噪声分析；抑制方法；系统性能；可靠性

引言：

随着电子设备的不断发展，对电源的要求越来越高。然而，电源噪声作为一个普遍存在的问题，对系统的正常运行和性能产生了负面影响。因此，对电源噪声进行分析和抑制显得尤为重要。本文通过对电源噪声的来源和特点进行深入研究，探讨了噪声分析的方法和工具，并提出了一些有效的抑制方法，旨在帮助工程师们更好地解决电源噪声问题，提高系统的性能和可靠性。

一、电源调试中噪声的来源

1.1 器件内部噪声

1.1.1 晶体管噪声

晶体管噪声是电源调试过程中噪声的一个重要来源。晶体管作为电子器件的基本元件，在工作过程中会产生一定的噪声。这种噪声主要由晶体管内部的热噪声和雪崩噪声组成。

热噪声是由于晶体管内部的热运动引起的。根据热噪声的性质，它的功率谱密度与频率成正比。在电源调试过程中，晶体管所产生的热噪声会传播到电源线上，成为电源噪声的一部分。这种噪声会对电源的稳定性和输出质量造成一定的影响。另外，晶体管的雪崩噪声也是电源调试中的一个噪声来源。雪崩噪声是指晶体管工作在雪崩击穿区域时产生的噪声。当晶体管工作在雪崩击穿区域附近时，会发生雪崩击穿现象，产生高能电子和空穴。这些电子和空穴运动引起电压和电流的涨落，从而产生噪声。

1.2 环境噪声

1.2.1 电磁辐射噪声

在电源调试过程中，环境中存在大量的电磁辐射噪声。电磁辐射噪声是由各种电子设备、电源线、通信设备等产生的电磁波引起的。这些电磁波会通过空气传播，并干扰电源系统的正常运行。电磁辐射噪声可以通过两种方式传播：辐射传播和导体传导。辐射传播是指电磁波通过空气或其他介质传播，进入电源系统并产生干扰。导体传导是指电磁波通过导体（如电源线、地线等）传播，进入电源系统并产生干扰。

1.2.2 电源线传导噪声

电源线传导噪声是电源调试过程中常见的一种噪声来源。电源线传导噪声是指来自电源线的电磁辐射干扰信号，通过电源线传输到电源系统中，并引起噪声问题。电源线传导噪声主要有两种形式：共模噪声和差模噪声。共模噪声是指电源线上的两条导线同时受到相同的干扰，导致电源系统中的共模信号增加。差模噪声是指电源线上的两条导线受到不同的干扰信号，导致电源系统中的差模信号增加。

二、电源调试中的噪声分析方法

2.1 频谱分析法

2.1.1 快速傅里叶变换

快速傅里叶变换（FFT）是一种常用的频谱分析方法，可以用来对电源噪声进行分析。通过对电源信号进行FFT变换，可以将信号从时域转换到频域，得到信号在不同频率上的成分。在电源调试中，可以采集电源信号，并使用FFT算法对信号进行频谱分析。通过观察频谱图，可以了解电源信号中各个频率成分的强度。如果在特定频率上存在较大的噪声成分，可以进一步分析该频率的来源，并采取相应的措施进行噪声抑制。

2.1.2 功率谱密度分析

功率谱密度分析是一种用于评估信号强度分布的方法。在电源调试中，可以使用功率谱密度分析来研究电源信号的噪声特性。通过对电源信号进行功率谱密度分析，可以得到信号在不同频率上的功率谱密度。功率谱密度表示了信号在各个频率上的能量分布情况。通过观察功率谱密度图，可以确定噪声在哪些频率上存在较大的能量，并进一步分析噪声的来源。通过频谱分析法，特别是快速傅里叶变换和功率谱密度分析，可以对电源噪声进行定量和定性的分析。这些分析方法可以帮助工程师了解电源噪声的特性，并采取相应的措施进行噪声抑制和优化电源设计。

2.2 时域分析法

2.2.1 时域波形分析

时域波形分析是一种常用的电源噪声分析方法。通过对电源信号在时间轴上的波形进行观察和分析，可以获取信号的振幅、周期、脉冲宽度等信息，从而了解噪声的特性。在电源调试中，可以使用示波器等工具对电源信号进行时域波形分析。通过观察波形图，可以判断电源信号是否存在噪声成分，噪声的幅度以及噪声的周期性等特征。典型波形图如图1所示。

              图1：波形图

黄色和蓝色曲线分别代表两个信号随时间变化的曲线，这就是信号的时域表现形式。横轴为时间，纵轴为幅值，这里的幅值单位是电压。

2.2.2 自相关函数分析

自相关函数是一种用于分析信号相关性的方法。在电源调试中，可以使用自相关函数分析来研究电源信号的噪声特性。通过计算电源信号的自相关函数，可以得到信号与自身在不同时间延迟下的相关性。自相关函数的形状和幅度可以反映信号的周期性和相关性。如果存在噪声成分，自相关函数可能会显示出明显的峰值或波动。

三、电源噪声的抑制方法

3.1 滤波器设计

3.1.1 低通滤波器

低通滤波器是一种常用的滤波器类型，用于抑制高频噪声成分，只允许低频信号通过。在电源调试中，可以采用低通滤波器来抑制电源中的高频噪声。低通滤波器的设计需要根据具体的频率要求进行。可以选择合适的截止频率，使得高于该频率的噪声成分被滤波器抑制掉，而低于该频率的有用信号可以通过。

电源EMI噪声滤波器是一种无源低通滤波器，它几乎无衰减地将交流电传输到电源，而大大衰减随交流电传入的EMI噪声；同时又能有效地抑制电源设备产生的EMI噪声，阻止它们进入交流电网干扰其它电子设备。

单相交流电网噪声滤波器的基本结构如图2所示。它是由集中参数元件组成的四端无源网络，主要使用的元件是共模电感线圈L1、L2，差模电感L3、L4，以及共模电容CY1、CY2和差模电容器CX。若将此滤波器网络放在电源的输入端，则L1与CY1及L2与CY2分别构成交流进线上两对独立端口之间的低通滤波器，可衰减交流进线上存在的共模干扰噪声，阻止它们进入电源设备。共模电感线圈用来衰减交流进线上的共模噪声，其中L1和L2一般是在闭合磁路的铁氧体磁芯上同向卷绕相同匝数，接入电路后在L1、L2两个线圈内交流电流产生的磁通相互抵消，不致使磁芯引起磁通饱和，又使这两个线圈的电感值在共模状态下较大，且保持不变。差模电感线圈L3、L4与差模电容器CX构成交流进线独立端口间的一个低通滤波器，用来抑制交流进线上的差模干扰噪声，防止电源设备受其干扰。

图2：单相交流电网噪声滤波器基本结构如图

图2所示的电源噪声滤波器是无源网络，它具有双向抑制性能。将它插入在交流电网与电源之间，相当于这二者的EMI噪声之间加上一个阻断屏障，这样一个简单的无源滤波器起到了双向抑制噪声的作用。

3.1.2 带通滤波器

带通滤波器是一种可以选择一定频率范围内信号通过的滤波器。在电源调试中，可以采用带通滤波器来抑制特定频率范围内的噪声。带通滤波器的设计需要确定所需的中心频率和带宽。中心频率确定了需要通过的信号频率范围，而带宽确定了允许通过的频率范围的宽度。选择合适的截止频率和带宽可以有效地抑制电源中的特定频率噪声，保留需要的信号。除了滤波器设计，还有其他一些电源噪声的抑制方法，如增加电源线的屏蔽、使用隔离变压器、增加滤波电容等。

3.2 接地与屏蔽

3.2.1 地线设计

地线设计是电源噪声抑制的重要方面之一。良好的地线设计可以有效地减少地回路中的噪声干扰，并提供一个低噪声的参考电平。在地线设计中，需要注意以下几点：确保地线的导通性良好，避免地线电阻过大导致干扰电流无法完全回流。尽量减少地线回流路径的长度，减小回流电感和电阻。使用合适的地线敷设方式，如星形接地，以减少地线之间的互相干扰。合理的地线设计可以提供一个稳定的地参考，减少电源噪声的干扰。

3.2.2 屏蔽技术

屏蔽技术是一种常用的电源噪声抑制方法，通过引入屏蔽结构来阻止外界电磁干扰信号的进入。在电源调试中，可以采用以下屏蔽技术：电缆屏蔽：使用屏蔽电缆来减少电源信号受到外界电磁干扰的影响。金属屏蔽：在电源元件和电路板之间使用金属屏蔽罩或屏蔽壳来隔离电源信号和外界干扰信号。屏蔽接地：将屏蔽结构的外壳连接到地，以提供有效的屏蔽效果。通过合理的屏蔽技术，可以减少电源信号受到外界干扰的可能性，提高系统的抗干扰能力。

3.3 X电容和Y电容滤波介绍

X电容作用：用来消除差模干扰，主要起滤波作用，与共模电感匹配，并联在输入的两端，消除L、N线之间的差模信号。

Y电容作用：用来消除共模干扰，是分别跨接在两线和机壳之间的电容，通常成对出现，滤除高次谐波，防止干扰，提高输出电压质量。

四、结论

本文对电源调试中的噪声分析与抑制方法进行了研究，通过对电源噪声的来源进行分析，提出了相应的抑制方法。在噪声分析方面，频谱分析法和时域分析法是常用的方法。在噪声抑制方面，滤波器设计以及接地与屏蔽是有效的策略。这些方法的应用可以帮助工程师们解决电源噪声问题，提高系统的性能和可靠性。未来的研究可以进一步探索更高效、更精确的噪声分析与抑制方法，以满足不断发展的电子设备对电源质量的要求。

参考文献：

[1]张宇.AEF供电的噪声滤波影响机理及功率预估研究[D].西安理工大学,2023.

[2]刘刚.电源模块低频电噪声测试技术研究[J].电子制作,2021,(24):30-32.

[3]张伟捷.空调器风机气动及辐射噪声研究和控制[D].江苏大学,2021.