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開關(guān)電源紋波抑制研究

作者: 時(shí)間:2012-07-31 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

摘要:提出紋波的定義,分析紋波產(chǎn)生的原因,并提出幾種紋波的方法。最后針對(duì)一款特殊,論述了開關(guān)電源的輸出穩(wěn)定性問(wèn)題。該電源輸出電流為10 A,輸出電壓為12 V,主要用于驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。為減小輸出電流紋波,提高激光功率穩(wěn)定性,分析了幾種紋波的方法,包括濾波法,多路疊加法等。該電源的設(shè)計(jì)采用主、副電源的思路,從主電源采集紋波信號(hào)反饋給副電源的控制端,從而使主副電源輸出疊加后保持較小的輸出紋波。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法可以使紋波系數(shù)保持在1%,使得性能有所提高。
關(guān)鍵詞:開關(guān)電源;紋波;反饋控制;半導(dǎo)體激光器

0 引言
近年來(lái),開關(guān)電源以其體積小,重量輕,效率高等優(yōu)點(diǎn),在工程領(lǐng)域、醫(yī)療機(jī)構(gòu)、科學(xué)等方面有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文著重解決一款能輸出10 A電流12V電壓的特殊恒流源的紋波抑制問(wèn)題,專門用于大功率的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)。該激光器需求高穩(wěn)定的光功率輸出,激光器輸出光功率的穩(wěn)定性是一個(gè)主要參數(shù),半導(dǎo)體激光器的光功率穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在輸入電流的穩(wěn)定性,輸入電流的紋波越小光功率穩(wěn)定性越好。目前,解決開關(guān)電源紋波的方法有若干種,各有其優(yōu)缺點(diǎn),由于輸出電流是10 A的大電流,一般的方法不能適用。本文通過(guò)對(duì)比濾波法提出雙路并聯(lián)法,旨在大電流情況下進(jìn)一步減小電流輸出紋波。

1 紋波產(chǎn)生原因分析
通常開關(guān)電源把電網(wǎng)提供的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡_關(guān)管的高速開通和關(guān)斷,就會(huì)引起輸出電壓的波動(dòng),在輸出回路中的快恢復(fù)二極管和電感也會(huì)引起輸出電壓的波動(dòng)。這些高頻低頻的波動(dòng)總和就形成了輸出的紋波,包括電壓紋波和電流紋波。
開關(guān)電源中紋波的來(lái)源有很多原因,其中MOS管開通關(guān)斷所產(chǎn)生的紋波是主要原因之一。當(dāng)開關(guān)管開通關(guān)斷時(shí)都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間,這時(shí)就會(huì)在電路中引起一個(gè)同頻率的噪聲。輸出回路上的電感也會(huì)隨著充電放電產(chǎn)生一個(gè)噪聲,同時(shí)也會(huì)有漏感產(chǎn)生。在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間,元器件的引腳之間還會(huì)存在各種寄生電感,這些寄生電感會(huì)遵循如下公式產(chǎn)生變化。
U=-Ldi/dt
從該公式可以看出電感兩端一旦有電流發(fā)生變化就會(huì)使得電感兩端的電壓發(fā)生變化,因此電路板上元器件的布局以及走線方法都會(huì)影響電路的性能。這些影響因素就是紋波產(chǎn)生的根源。開關(guān)電源的紋波一直以來(lái)都是一個(gè)重要的參數(shù),尤其是應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的場(chǎng)合,都應(yīng)力求輸出電壓電流的穩(wěn)定。

2 紋波抑制方法
2.1 濾波法
濾波法是最容易的方法之一,因?yàn)檩敵鲇屑y波,那么設(shè)計(jì)就一個(gè)合適的濾波器濾除。濾波器有有源濾波器也有無(wú)源濾波器。濾波器是在輸出回路中并聯(lián)或者串聯(lián)若干電阻電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該方法必須通過(guò)詳細(xì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算得出紋波頻率特性,從而選出精確的阻值和容值。該方法雖然簡(jiǎn)單,但是一旦電容失效,電阻失效或稍有不精確的地方,極有可能混入新的紋波或噪聲,反而加大了輸出紋波。并且該方法在小功率開關(guān)電源中可以考慮,如果是幾十安培的大電流,幾十瓦的大功率電源中,損耗是不容忽視,而且體積也會(huì)隨之增大。LC低通濾波器見(jiàn)圖1。

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/176610.htm

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開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生其中一個(gè)主要因素在于MOS管的開通關(guān)斷。因此可以在MOSFET部分設(shè)計(jì)吸收開關(guān)尖峰脈沖的電路。開關(guān)尖峰吸收電路有多種。圖2為L(zhǎng)C吸收電路舉例。該方法適用于MOSFET外置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對(duì)于一些內(nèi)置集成MOSFET的集成模塊就無(wú)能為力。而且這種吸收電路同樣也需要精確計(jì)算。

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2.2 雙路并聯(lián)疊加法與改進(jìn)思路
大電流、大功率開關(guān)電源的紋波消除可以通過(guò)調(diào)整MOSFET上控制端PWM的頻率,或采用多路疊加的思路。通過(guò)調(diào)節(jié)開關(guān)管的控制端PWM的頻率也可以實(shí)現(xiàn)輸出紋波的控制,雙路并聯(lián)的基本思路也是在微調(diào)PWM的頻率和占空比實(shí)現(xiàn)的,開關(guān)電源采用雙路并聯(lián),雙路同時(shí)提供輸出功率,從概念上分為主電源與副電源。主電源有紋波,副電源也有紋波,但是如果使得兩個(gè)電源占空比為50%,而且相位差180°時(shí),在輸出端讓兩者疊加就會(huì)使紋波大大減小,提高性能。如圖3,圖4所示。

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DC1為主電源,DC2為副電源。當(dāng)DC1開通時(shí),電壓電流上升,此時(shí)DC2關(guān)斷。當(dāng)DC2開通時(shí),電壓電流上升,DC1關(guān)斷。令兩者輸出相位相差是180°。將輸出結(jié)果相互疊加,就正好可以使輸出紋波相互抵消,這就是雙路并聯(lián)的思路。但是由于負(fù)載波動(dòng),或者外部噪聲因素使得主副電源相位發(fā)生變動(dòng),相差不再是180°時(shí),反而會(huì)使文波幅值、頻率加大。因此提出改進(jìn)方法就是在主電源輸出中取出紋波相位信號(hào),將該信號(hào)反饋給副電源,讓副電源及時(shí)糾正相位差,以保持兩個(gè)電源相位差為180°。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
開關(guān)電源的紋波測(cè)試方法大致可分為兩種,一種為電壓信號(hào),一種為電流信號(hào)。測(cè)試負(fù)載選用與半導(dǎo)體激光器相近的大功率二極管,測(cè)試二極管兩端的電壓信號(hào)。紋波電壓是疊加在直流電壓上的交流小信號(hào),將示波器耦合模式調(diào)整為交流耦合,去除直流量的測(cè)量。在測(cè)試過(guò)程中要注意保護(hù)示波器探頭,避免測(cè)試過(guò)程中受外界因素干擾。圖5為反饋回路的電路圖。從輸出回路采集紋波信號(hào),將紋波信號(hào)放大后反饋回時(shí)鐘控制端以控制輸出紋波相位。時(shí)鐘的控制可以選取單片機(jī)產(chǎn)生PWM,使用單片機(jī)的好處在于可以編程實(shí)現(xiàn)控制方便簡(jiǎn)單,但是要采集信號(hào)必須采用A/D轉(zhuǎn)換器;同時(shí)也可以使用專用的控制芯片,控制芯片控制精度高,響應(yīng)速度快,但這些芯片成本往往比較高。

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輸出回路中串聯(lián)一個(gè)小電阻,電流紋波的變化可以從這個(gè)小電阻兩端電壓變化來(lái)體現(xiàn),將這個(gè)電壓通過(guò)差分放大器放大反饋回時(shí)鐘控制端,使得時(shí)鐘可以根據(jù)這個(gè)變化而適時(shí)調(diào)整兩個(gè)電源的相位差。圖6為雙路并聯(lián)以后的紋波波形,輸出電壓為12 V,紋波電壓峰峰值為0.9 V。圖7為加了反饋以后的紋波波形,輸出電壓為12 V,而紋波減小為0.4 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明這種帶有反饋的雙路并聯(lián)電流源在紋波抑制方面具有一定效果。

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4 結(jié)語(yǔ)
開關(guān)電源由于其自身結(jié)構(gòu)必然會(huì)產(chǎn)生紋波,在各種應(yīng)用環(huán)境中總是力求紋波無(wú)限小?;陔娫闯杀?,電路復(fù)雜程度,應(yīng)用場(chǎng)合參數(shù)要求不同,各種紋波消除手段均有其優(yōu)勢(shì)。除此之外,在其他方面也可以采取各種措施,例如元器件的合理布局,接地技術(shù),屏蔽技術(shù),其他
開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。隨著對(duì)開關(guān)電源的不斷探索,性能更高的電源技術(shù)必將會(huì)被開發(fā)出來(lái)。在驅(qū)動(dòng)大功率半導(dǎo)體激光器當(dāng)中,多路并聯(lián)恒流源具有很高參考價(jià)值,本文所提出的紋波抑制方法是一種改進(jìn)措施,并取得良好效果。



關(guān)鍵詞: 研究 抑制 開關(guān)電源

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