抑制開關電源紋波的研究-濾波器論文

2021-06-12 論文

　　論文摘要：開關電源的調整管工作在飽和和截止狀態，因而發熱量小，效率高，在對電源效率和安裝體積有要求的地方有廣泛應用。但是開關電源輸出的直流上面會疊加較大的紋波，本文主要分析了開關電源紋波產生的原因，并提出了減少開關電源紋波的四種有效的方法。

　　論文關鍵詞：開關電源,紋波,濾波器

　　1.引言

　　開關電源是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源，開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。開關電源和線性電源相比，紋波系數通常要大一些，但是紋波系數又是開關電源的一項重要指標，如果紋波大就會影響電子電路的正常工作，出現信號源的不純凈，放大器噪聲與過載等問題。本文針對開關電源的紋波進行研究，并提出抑制開關電源紋波的方法。

　　2.開關電源的原理

　　開關穩壓電源的核心是電壓深度負反饋的脈沖寬度調制器，功率器件工作于開關狀態，因此功率低，效率高。開關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，被廣泛地應用在許多輸出電壓、輸出電流較為穩定的場合，開關電源的主電路圖如圖1。

　　圖1開關電源主電路圖

　　由電路圖可以看出，市電經整流濾波后變為311V高壓，經K1K4功率開關管有序工作后，變為脈沖信號加至高頻變壓器的初級，脈沖的高度始終為311V。當K1、K4開通時，311V高壓電流經K1正向流入主變壓器初級，經K4流出，在變壓器初級形成一個正向脈沖，同理，當K2、K3開通時，311V高壓電流經K3反向流入主變壓器初級，經K2流出，在變壓器初級形成一個反向脈沖。由于開關電源的工作原理，使其紋波噪聲不可避免，而開關電源發展的重要方向是高頻、高可靠、低紋波。為了抑制干擾紋波，減少在感應回路中的電壓，防止電源紋波影響下一級電路的性能有必要先分析一下開關電源紋波產生的原因。

　　3.開關電源紋波產生的原因

　　我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達到這個目的`最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產生，隨著SWITCH的開關，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。

　　另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，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，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。

　　4.開關電源紋波抑制方法

　　對于開關電源紋波，理論上和實際上都是一定存在的。為了實現開關電源的低紋波輸出，對低頻電源噪聲必須采取濾波措施；對于高頻噪聲，開關電源需要依靠功率器件對輸入直流電壓進行高頻變脈寬波斬波而后整流濾波實現穩壓輸出的。受功率器件開關損耗的限制，電源的開關頻率一般取20KHz-100KHz，開關頻率越高，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，其大小主要和開關電源的開關頻率及輸出濾波器的結構和參數有關。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

　　根據開關電源的公式，電感內電流波動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，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且等效串聯電阻（ESR）也比較大，所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端，并聯電容來提供電流。

　　2．二級濾波，再加一級LC濾波器。

　　LC濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，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。采樣點選在LC濾波器之前，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低，而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

　　采樣點選在LC濾波器之后，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓，這樣的缺點是在電源系統內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統不穩定。

　　3．開關電源輸出之后，接低壓差線性穩壓器（LDO）濾波。

　　這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項指標：噪音抑制比。對幾百千赫的開關紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內，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

　　開關電源PCB排版是開發電源產品中的一個重要過程。對減小紋波，開關電源的PCB布線也非常關鍵，許多情況下，一個在紙上設計得非常完美的電源可能在初次調試時無法正常工作，原因是該電源的PCB排版存在著許多問題。開關電源的紋波太大，或者開關電源產生的電磁干擾影響到其電子產品的正常工作，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，可以減少開關電源波紋。

　　在選用濾波元件時，一般只說要滿足脈動要求，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。但是在實際中需要考慮輸出電壓沖擊值及其動態響應特征，電感量愈大，沖擊值越大，動態響應也越大。

　　濾波器的計算式復雜的，在設計中，常常是按照一定的范圍選取L和C，通過在線路中試驗，測試各項指標，并根據測試值修正元件值，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.結束語

　　開關電源由于功耗小效率高，體積小，重量輕，穩壓范圍廣，電路形式靈活等特點，廣泛地應用于計算機、通信等各類電子設備。本文提出的抑制開關電源波紋方法我們在設計開關電源的時都有研究及使用，這些方法有各自的優缺點，選擇合適的方法關鍵是根據自己的設計要求，比如產品體積，成本，開發周期等。

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