习惯上开关电源纹波的抑制方法探讨及措施

一、开关电源的概念

习惯上,高频开关整流AC-DC和DC-DC变换器被称作开关电源。由于其高工作频率,带来了设备的体积和重量的减小。由于开关电源的变换效率高,能量损耗减少,降低了电源环境温度,改善了工作人员的环境。工作性能的提高。相对于相控电源来说,开关电源不仅节省能源,也节省了材料和体积。

开关电源产品主要应用领域有计算机、通信办公设备、控制设备、电子仪器、电视、摄像机、电子游戏机等产品。在电脑、电子仪器和通信系统中应用极为广泛的开关电源,在近半个世纪的发展过程中,因具有轻、小、高效等优点而逐渐取代传统的线性电源和相控电源,成为电子电源中的主流产品。

开关电源发展中一个永恒的主题是实现电源的高频率、高效率、小体积、低成本。高工作频率,可以提高动态响应,也是减少体积和重量的重要途径;高效率,减少热损耗,实现高功率密度;小体积,减少变压器,电感和电容的体积,同时还要兼顾高可靠性和低成本。 

二、开关电源纹波产生的机理和解决方案

1、纹波产生的机理

常规AC/DC,关电源的工作模式是把电网电压全波整流变为直流电,经高频开关变换由开关变压器隔离并升、降压,经高频二极管整流滤波后以直流电输出。开关电源输出纹波主要来源于五个方面:输入低频纹波、高频纹波、寄生参数引起的共模纹波噪声、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声和闭环调节控制引起的纹波噪声。

(1)低频纹波

低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。由于开关电源体积的限制,电解电容的容量不可能无限制地增加,导致输出低频纹波的残留,该输出纹波频率随整流电路方式的不同而不同。

一般的开关电源由AC / DC和DC / DC两部分组成。AC / DC的基本结构为整流滤波电路,它输出的直流电压中含有交流低频纹波,其频率为输入交流电源频率的二倍,幅值与电源输出功率及滤波电容容量有关,一般控制在10%以内。该交流纹波经DC/DC变换器衰减后,在开关电源输出端表现为低频噪声,其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。例如:对普通24V电源来说,电压型控制DC/DC变换器的纹波抑制比一般为45~50dB,其输出端的低频交流纹波有效值为60~120mV。电流型控制DC / DC变换器的纹波抑制比稍有提高,但其输出端的低频交流纹波仍较大。若要实现开关电源的低纹波输出,则必须对低频电源纹波采取滤波措施。可采用前级预稳压和增大DC / DC变换器闭环增益来消除。

(2)高频纹波

高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路,在电路中,通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换而后整流滤波再实现稳压输出的,在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波,其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关,设计中尽量提高功率变换器的工作频率,可以减少对高频开关纹波的滤波要求。

(3)共模纹波噪声

由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容,导线存在寄生电感,因此当矩形波电压作用于功率器件时,开关电源的输出端因此会产生共模纹波嗓声。减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容,并在输出侧加共模抑制电感及电容,可减小输出的共模纹波噪声。

(4)超高频谐振噪声

超高频谐振噪声主要来源于高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振,频率一般为1~10MHz,通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。

(5)闭环调节控制引起的纹波噪声

开关电源都需对输出电压进行闭环控制,调节器参数设计的不适当也会引起纹波。当输出端波动时通过反馈网络进入调节器回路,可能导致调节器的自激振荡,引起附加纹波。此纹波电压一般没有固定的频率。

2、抑制纹波的一般措施和方法

(1)低频纹波的抑制

低频纹波抑制的几种常用的方法:

a、加大输出低频滤波的电感,电容参数,使低频纹波降低到所需的指标。

b、采用前馈控制方法,降低低频纹波分量。

(2)高频纹波的抑制

高频纹波抑制的目的是给高频纹波提供通路,常用的方法有以下几种:

a、提高开关电源工作频率,以提高高频纹波频率,有利于抑制输出高频纹波。

b、加大输出高频滤波器,可以抑制输出高频纹波。

c、采用多级滤波。

(3)共模纹波噪声的抑制

减小输出共模纹波嗓声的常用方法:

a.输出采用专门设计的EMI滤波器

b.降低开关毛刺幅度

(4)闭环调节器参数不适当引起的纹波抑制

在开关直流电源中,往往因调节器参数选择不适当会引起输出纹波的增大,这部分纹波可通过以下方法进行抑制。

a、在调节器输出增加对地的补偿网络,调节器的补偿可抑制调节器自激引起的纹波增大。

b、合理选择闭环调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数,开环放大倍数过大有时会引起调节器的振荡或自激,使输出纹彼含量增加,过小的开环放大倍数使输出电压稳定性变差及纹波含量增加,所以调节器的开环放大倍数及闭环调节器的参数要合理选取,调试中要根据负载状况进行调节。

c、在反馈通道中不增加纯滞后滤波环节,使延时滞后降到最小,以增加闭环调节的快速性和及时性,对抑制输出电压纹波是有益的。 

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