抑制开关电源纹波的研究_滤波器

论文摘要：开关电源的调整管工作在饱和和截止状态，因而发热量小，效率高，在对电源效率和安装体积有要求的地方有广泛应用。但是开关电源输出的直流上面会叠加较大的纹波，本文主要分析了开关电源纹波产生的原因，并提出了减少开关电源纹波的四种有效的方法。
论文关键词：开关电源,纹波,滤波器
　　1.引言
　　开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，纹波系数通常要大一些，但是纹波系数又是开关电源的一项重要指标，如果纹波大就会影响电子电路的正常工作，出现信号源的不纯净，放大器噪声与过载等问题。本文针对开关电源的纹波进行研究，并提出抑制开关电源纹波的方法。
　　2.开关电源的原理
　　开关稳压电源的核心是电压深度负反馈的脉冲宽度调制器，功率器件工作于开关状态，因此功率低，效率高。开关电源因省去了笨重的工频变压器而使体积和重量都有不同程度的减少和减轻，被广泛地应用在许多输出电压、输出电流较为稳定的场合，开关电源的主电路图如图1。
　　图1开关电源主电路图
　　由电路图可以看出，市电经整流滤波后变为311V高压，经K1K4功率开关管有序工作后，变为脉冲信号加至高频变压器的初级，脉冲的高度始终为311V。当K1、K4开通时，311V高压电流经K1正向流入主变压器初级，经K4流出，在变压器初级形成一个正向脉冲，同理，当K2、K3开通时，311V高压电流经K3反向流入主变压器初级，经K2流出，在变压器初级形成一个反向脉冲。由于开关电源的工作原理，使其纹波噪声不可避免，而开关电源发展的重要方向是高频、高可靠、低纹波。为了抑制干扰纹波，减少在感应回路中的电压，防止电源纹波影响下一级电路的性能有必要先分析一下开关电源纹波产生的原因。
　　3.开关电源纹波产生的原因
　　我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。
　　另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十兆赫。
　　如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
　　4.开关电源纹波抑制方法
　　对于开关电源纹波，理论上和实际上都是一定存在的。为了实现开关电源的低纹波输出，对低频电源噪声必须采取滤波措施；对于高频噪声，开关电源需要依靠功率器件对输入直流电压进行高频变脉宽波斩波而后整流滤波实现稳压输出的。受功率器件开关损耗的限制，电源的开关频率一般取20KHz-100KHz，开关频率越高，电感电容越大，则输出波纹越小。在其输出端含有与斩波频率同频的高噪声，其大小主要和开关电源的开关频率及输出滤波器的结构和参数有关。下面我们提出抑制或减少电源纹波的有效方法：
　　1．加大电感和输出电容滤波
　　根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
　　同样，输出电容Co与纹波电压Vp_p的关系：Co=Ipk（Ton+Toff）/8Vripple（p_p），可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且等效串联电阻（ESR）也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端，并联电容来提供电流。
　　2．二级滤波，再加一级LC滤波器。
　　LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。但是这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。采样点选在LC滤波器之前，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低，而且这个压降是随输出电流变化的。
　　采样点选在LC滤波器之后，这样输出电压就是我们所希望得到的电压，这样的缺点是在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。
　　3．开关电源输出之后，接低压差线性稳压器（LDO）滤波。
　　这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标：噪音抑制比。对几百千赫的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。
　　4．正确合理的印制电路板（PCB）布线
　　开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。

对减小纹波，开关电源的PCB布线也非常关键，许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题。开关电源的纹波太大，或者开关电源产生的电磁干扰影响到其电子产品的正常工作，所以正确合理的电源PCB排版就变得非常重要。注意PCB的布局、布线和接地，可以减少开关电源波纹。
　　在选用滤波元件时，一般只说要满足脉动要求，在安装尺寸容许的前提下，采用较大的L较小的C或采用较小的L较大的C均可。但是在实际中需要考虑输出电压冲击值及其动态响应特征，电感量愈大，冲击值越大，动态响应也越大。
　　滤波器的计算式复杂的，在设计中，常常是按照一定的范围选取L和C，通过在线路中试验，测试各项指标，并根据测试值修正元件值，以选取合适的元件，电容器要选高频性能好的无感聚苯乙烯电容、陶瓷电容、铝电解电容等。
　　5.结束语
　　开关电源由于功耗小效率高，体积小，重量轻，稳压范围广，电路形式灵活等特点，广泛地应用于计算机、通信等各类电子设备。本文提出的抑制开关电源波纹方法我们在设计开关电源的时都有研究及使用，这些方法有各自的优缺点，选择合适的方法关键是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等。
参考文献
1 孟建辉.开关电源的基本原理及发展趋势[J].通信电源技术,2009.6
2 郑宪龙,和军平等.DC/DC开关电源共模EMI滤波器的研制[J].电力电子技术,2007.12
3 张国安,翟长生.冲量控制技术消除开关电源低频波纹的研究[J].电力电子技术,2009.4
4 陈雨霞.开关电源最优设计技术研究[D].浙江大学,电力电子与电力转动专业,2004.5
5 闫晓金,陈永真.开关电源纹波和噪声的测试与抑制[R].中国电源学会(17届),2007