关键词: 波纹;开关电源;晶体管
0 引言
在用电控制的仪器设备中,都需要稳压电源,由于价格、功率等的要求,因此设计人员更倾向于使用开关电源,而很少使用线性电源.开关电源的优势在于转换效率高,最高可以达到将近 97%,另外开关电源重量轻、体积小.开关电源最大的缺点是输出的纹波和噪声电压较大,而这一性能影响到仪器设备的运行,特别是对于需要处理小信号的仪器中,电源产生的噪声可能会干扰输入的信号,使得仪器无法正确运行.如何处理好电源的噪声,有很多方法[1][2],本文通过一个典型电源电路分析开关电源产生纹波和噪声的原因及减小纹波和噪声的措施,并详细探讨了电源各部分电路的原理功能和实现的方法.
1 干扰产生分析
电信号干扰分为:噪声(nois)和纹波(ripple)两种,其表现形式为图 1 形式.
噪声的定义是指在直流电压或电流中,叠加了振幅和频率上完全无规律的交流分量.该分量会干扰电路的分析、逻辑关系,影响其设备正常工作.纹波是指叠加在直流电压或电流上的交流信号,会降低电源的效率,严重的波纹更有可能会损坏用电设备,另外波纹还会干扰数字电路的逻辑关系,影响设备工作状态.
通常的开关电源输出的直流电压中叠加了由噪声和波纹引起的交流信号.波纹主要是由于开关电源的开关动作造成的,而波动的频率跟开关的频率是一致的,大小取决于输入、输出电容的参数.作为开关的元件都有寄生的电感与电容,当元件在电流流动变化工作时,会产生电压与电流的浪涌,这些浪涌信号都会在电源产生干扰信号.浪涌电流指电源接通瞬间,流入电源设备的峰值电流.该峰值电流远远大于稳态输入电流,这种瞬时过电流称为浪涌电流,是一种瞬变干扰.
噪声电压主要跟电源的拓扑结构、电路中的寄生参数、工作的电磁环境以及印制电路板的布线有关.
当信号较小的时候,会产生干扰的信号.图 2(a)是实验信号波形,(b)是小信号上叠加了干扰的波形.干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声,干扰的产生来自多方面,电路设计不合理、器件使用不当、工作环境干扰、电源噪声等,其中电源产生的噪声是常见主要的原因,而这些干扰信号会造成后续电路一系列的处理误差,所以在要求较高的场合,这样的噪声是必须要解决的.
2 解决措施
开关电源电路一般由整流平滑电路、集成开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路、次级侧整流平滑电路等构成.其工作原理:开关电路供应稳定电压和平滑的电流,是本电路的主要部分,开关晶体管的集电极电流决定电源的输出电流.纹波的解决措施[3][4]主要有:调整电感和电容参数、增加电容电阻缓冲网络.
2.1 调整电感和电容参数
电流波动与电感参数、以及输出电容大小有关,通常电感值越小,波动越大,输出电容值越小,波纹越大.因此可以通过增大电感值和输出电容值来降低波纹.
图 3 中纹波电流的大小可通过式(1)计算:
驻=(Vir-Vout)×VoutL×Vir×f(1)式中 Vir是输入电压,Vout是输出电压,L 是电感,f 是开关电压的开关频率.通过式(1)分析可以知道,提高电感值或 f 可以降低 驻.
波纹与电容参数的关系如式(2):
Vir=Imax(/CO×f) (2)式中 Imax是纹波的峰值,输出电容值增加可以降低波纹.
在这里以 BUCK 型开关电源为例,当开关电源工作时,提供的电压不变,但是电流会变化,为了稳定电源的输出电流,在如图 4(a)的指示位置并联一个电容 C+.
通过增加电感值的方法来减小波纹的做法是受限的.
因为电感越大,体积就越大.电感的取值可以这样计算:假定输入电压为 Vin,输出电压为 Vo,工作频率为 f,输出电流为 I,电感中电流的波动值为 驻I 的话,有:导通时间驻T=(VO/Vin)/f (3)在导通期间内,电感两端的电压差为驻V=Vin-VO(4)在该段时间内,电流变化值为△I.根据驻V/L=驻I/驻T (5)可得到L=驻V×驻T/驻I (6)就可以计算电感值了.在电路调试过程中发现,随着 C+不断增加,减小波纹的效果会越来越差,同时增加 f,会增加开关损失.因此可以通过再加一级 LC 滤波器的方法来改善,如图 4(b)所示.LC 滤波器抑制波纹的效果较好,只要根据需要除去的纹波频率选择合适的电感电容即可.
2.2 增加电容电阻缓冲网络
在二极管高速导通截止时,要考虑寄生参数.在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为一个 RC 振荡器,产生高频振荡.为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容 C 或 RC 缓冲网络.电阻与电容取值要经过反复试验才能确定,一般选择电阻为 10Ω-100Ω,电容取4.7pF-2.2nF.如果选用不当,反而会造成更严重的振荡.
3 电路设计及实测
根据以上分析,设计出了一种开关稳压电源如图 5 所示,采用可控硅触发方式.通过整流放大后的波纹去触发可控硅的导通,当整流电压值为零时,可控硅自动关断.只要用输出电压的变化来控制触发信号的前沿,即可实现稳压.稳压电路主要由可控硅、4 个晶体管和 1 个变压器等组成,如图 5 所示.我们在 multisim 环境下对该电路进行仿真,效果非常好.再用实际电路搭试,并加上 30 欧姆纯电阻阻抗后,选取了 7 个测试点,测试波形见图 6 所示.图中变压器 T、二极管 D1~D4 和电容器 C1-4 组成整流滤波电路,测试点 1 电压纹波波形见图 6 中 1 的图像,显然是在全波整流后的纹波出现;电阻 R2、R3 和隔直电容 C5组成取样电路,测试点 2 电压纹波波形见图 6 中 2 的图像;控制可控硅的纹波信号测试点 3、4 电压纹波波形见图6 中的 3、4 的图像;隔直后的测试点 5 电压纹波波形见图6 中的 5 的图像;线圈 T2 控制信号的初级波形见图 6 中 7的图像;线圈 T2 次级控制可控硅信号见图 6 中 6 的图像.当电压没有纹波时,线圈 T2 不发挥作用,但当电压有波动时(纹波),则自动控制可控硅工作,抑制电压的波动.在电路中的电感对抑制电压的波动也起到了良好的作用,其电感值可以根据电压的大小和对纹波的要求进行适当的选择.该电路在最后的输出功率可以达到 110W,当负载发生变化 10-104欧姆时,电压变化的范围大约是 1 毫伏.
4 结束语
本文对开关电源噪声与纹波的产生原因和抑制方法进行了分析和讨论,并设计出了一种晶体管开关稳压电源电路,观察仿真实验,可以得出该设计能够抑制一定的电源噪声与波纹.在实际中,需要依据产品的参数,如体积、成本等问题综合考虑,选择合适的设计方法.
参考文献:
[1]梁凯. 开关电源的电磁兼容性设计 [J]. 电源技术应用,2007,10(2):18-23.
