抑制開關(guān)電源紋波的研究-濾波器論文
論文摘要：開關(guān)電源的調(diào)整管工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)，因而發(fā)熱量小，效率高，在對(duì)電源效率和安裝體積有要求的地方有廣泛應(yīng)用。但是開關(guān)電源輸出的直流上面會(huì)疊加較大的紋波，本文主要分析了開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因，并提出了減少開關(guān)電源紋波的四種有效的方法。
論文關(guān)鍵詞：開關(guān)電源,紋波,濾波器
1.引言
開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源和線性電源相比，紋波系數(shù)通常要大一些，但是紋波系數(shù)又是開關(guān)電源的一項(xiàng)重要指標(biāo)，如果紋波大就會(huì)影響電子電路的正常工作，出現(xiàn)信號(hào)源的不純凈，放大器噪聲與過載等問題。本文針對(duì)開關(guān)電源的紋波進(jìn)行研究，并提出抑制開關(guān)電源紋波的方法。
2.開關(guān)電源的原理
開關(guān)穩(wěn)壓電源的核心是電壓深度負(fù)反饋的脈沖寬度調(diào)制器，功率器件工作于開關(guān)狀態(tài)，因此功率低，效率高。開關(guān)電源因省去了笨重的工頻變壓器而使體積和重量都有不同程度的減少和減輕，被廣泛地應(yīng)用在許多輸出電壓、輸出電流較為穩(wěn)定的場(chǎng)合，開關(guān)電源的主電路圖如圖1。
圖1開關(guān)電源主電路圖
由電路圖可以看出，市電經(jīng)整流濾波后變?yōu)?11V高壓，經(jīng)K1K4功率開關(guān)管有序工作后，變?yōu)槊}沖信號(hào)加至高頻變壓器的初級(jí)，脈沖的高度始終為311V。當(dāng)K1、K4開通時(shí)，311V高壓電流經(jīng)K1正向流入主變壓器初級(jí)，經(jīng)K4流出，在變壓器初級(jí)形成一個(gè)正向脈沖，同理，當(dāng)K2、K3開通時(shí)，311V高壓電流經(jīng)K3反向流入主變壓器初級(jí)，經(jīng)K2流出，在變壓器初級(jí)形成一個(gè)反向脈沖。由于開關(guān)電源的工作原理，使其紋波噪聲不可避免，而開關(guān)電源發(fā)展的重要方向是高頻、高可靠、低紋波。為了抑制干擾紋波，減少在感應(yīng)回路中的電壓，防止電源紋波影響下一級(jí)電路的性能有必要先分析一下開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因。
3.開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因
我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達(dá)到這個(gè)目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生，隨著SWITCH的`開關(guān)，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個(gè)。
另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者M(jìn)OSFET，不管是哪種，在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十兆赫。
如果是AC／DC變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC噪聲，頻率是輸入AC電源的頻率，為50～60Hz左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。
4.開關(guān)電源紋波抑制方法
對(duì)于開關(guān)電源紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。為了實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的低紋波輸出，對(duì)低頻電源噪聲必須采取濾波措施；對(duì)于高頻噪聲，開關(guān)電源需要依靠功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻變脈寬波斬波而后整流濾波實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的。受功率器件開關(guān)損耗的限制，電源的開關(guān)頻率一般取20KHz-100KHz，開關(guān)頻率越高，電感電容越大，則輸出波紋越小。在其輸出端含有與斬波頻率同頻的高噪聲，其大小主要和開關(guān)電源的開關(guān)頻率及輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)。下面我們提出抑制或減少電源紋波的有效方法：
1．加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。
同樣，輸出電容Co與紋波電壓Vp_p的關(guān)系：Co=Ipk（Ton+Toff）/8Vripple（p_p），可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。通常的做法，對(duì)于輸出電容，使用鋁電解電容以達(dá)到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且等效串聯(lián)電阻（ESR）也比較大，所以會(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。同時(shí)，開關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端，并聯(lián)電容來提供電流。
2．二級(jí)濾波，再加一級(jí)LC濾波器。
LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。但是這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前，輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋�(gè)直流電阻，當(dāng)有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生，導(dǎo)致電源的輸出電壓降低，而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點(diǎn)選在LC濾波器之后，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓，這樣的缺點(diǎn)是在電源系統(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
3．開關(guān)電源輸出之后，接低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）濾波。
這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo)：噪音抑制比。對(duì)幾百千赫的開關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi)，該LDO的效果就不那么理想了。
4．正確合理的印制電路板（PCB）布線
開關(guān)電源PCB排版是開發(fā)電源產(chǎn)品中的一個(gè)重要過程。對(duì)減小紋波，開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵，許多情況下，一個(gè)在紙上設(shè)計(jì)得非常完美的電源可能在初次調(diào)試時(shí)無法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問題。開關(guān)電源的紋波太大，或者開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾影響到其電子產(chǎn)品的正常工作，所以正確合理的電源PCB排版就變得非常重要。注意PCB的布局、布線和接地，可以減少開關(guān)電源波紋。
在選用濾波元件時(shí)，一般只說要滿足脈動(dòng)要求，在安裝尺寸容許的前提下，采用較大的L較小的C或采用較小的L較大的C均可。但是在實(shí)際中需要考慮輸出電壓沖擊值及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征，電感量愈大，沖擊值越大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也越大。
濾波器的計(jì)算式復(fù)雜的，在設(shè)計(jì)中，常常是按照一定的范圍選取L和C，通過在線路中試驗(yàn)，測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)，并根據(jù)測(cè)試值修正元件值，以選取合適的元件，電容器要選高頻性能好的無感聚苯乙烯電容、陶瓷電容、鋁電解電容等。
5.結(jié)束語(yǔ)
開關(guān)電源由于功耗小效率高，體積小，重量輕，穩(wěn)壓范圍廣，電路形式靈活等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信等各類電子設(shè)備。本文提出的抑制開關(guān)電源波紋方法我們?cè)谠O(shè)計(jì)開關(guān)電源的時(shí)都有研究及使用，這些方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的方法關(guān)鍵是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開發(fā)周期等。
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