開關(guān)電源輸入平波電路的設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞： 輸入平波電路；輸入導(dǎo)納；輸出阻抗

引言

電子技術(shù)的迅速發(fā)展,對電子儀器和設(shè)備提出了更高的要求。性能上,更加安全可靠;功能上,不斷增加;使用上,自動化程度越來越高;體積上,日趨小型化。這使得具有眾多優(yōu)點的開關(guān)電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。但是,由于開關(guān)穩(wěn)壓電源中,開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài),其交變電壓和電流會通過電路的元器件產(chǎn)生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴(yán)重的污染了市電電網(wǎng),影響鄰近電子儀器及設(shè)備的正常工作;同時,由于這一缺點,使得開關(guān)電源無法應(yīng)用于一些精密的電子儀器中,因此,盡量降低開關(guān)電源的電磁干擾,提高其使用范圍,是從事開關(guān)電源設(shè)計必須考慮的問題。

本文作者應(yīng)用了二端口網(wǎng)絡(luò)的原理,對開關(guān)電源中平波電路進(jìn)行了分析,給出了輸入平波電路設(shè)計的一般方法及相關(guān)參數(shù)的計算方法。

1 　基于二端口網(wǎng)絡(luò)輸入平波電路的設(shè)計

目前廣泛使用的開關(guān)電源,無論單管式、推挽式、半橋式、全橋式都可以歸納為如圖1 所示的形式 (以單相為例) 。

由圖1 可以看出:通過對輸入平波電路的配置,可以改變電路的等效阻抗,進(jìn)而達(dá)到預(yù)期的平波效果。

1. 1 　輸入平波電路雙端口網(wǎng)絡(luò)模型的建立

依據(jù)圖1 所示的一般性原理圖,可以建立如圖2 所示的輸入平波電路雙端口網(wǎng)絡(luò)模型。

其混合參數(shù)方程如下:

式中: g11為輸入導(dǎo)納; g22為輸出阻抗; g12為反向電流增益; g21為正向電壓增益。由式(1) 可以轉(zhuǎn)化為如圖3 所示的等效電路圖。

1. 2 　輸入平波電路設(shè)計的一般原理

在開關(guān)電源的設(shè)計中,輸入平波電路必須要滿足以下幾項要求:

①要保證平波電路在平波的同時,不影響電源的負(fù)荷能力;

②對于輸入的低頻分量,要求平波電路盡量不造成衰減;

③對于高頻諧波分量,平波電路要有良好的平波效果。

結(jié)合式(1) 所示的混合參數(shù)方程及圖3 所示的等效原理圖,由要求①可以得出:平波電路的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗要盡可能小,也即g11 = g22 = 0 ;由要求②可以得出:對于低頻分量,反向電流增益g12和正向電壓增益g21設(shè)計值要盡量為1 , 而輸入導(dǎo)納和輸出阻抗要盡可能小, 也即g12 = g21 = 1 ,g11 = g22 = 0 ;

由要求③可以得出:對于高頻分量, g11 , g12 ,g21 , g22都要盡可能的小。綜合以上的分析結(jié)論,這就是輸入平波電路設(shè)計的一般方法及平波效果的評判標(biāo)準(zhǔn)。

2 　實例分析

LC 平波電路和四階直流線路平波器是工程實際中常用的平波電路,下面我們就以上面的結(jié)論分析其平波效果。圖4 為LC 平波電路。

其混合參數(shù)方程為:

對于直流分量:

由于f 趨向于0 ,對應(yīng)有w = 2πf 趨向于0 ;

顯然g11 = g22 = 0 ; g12 = g21 = 1

對于高頻諧波分量:

考慮當(dāng)wl > 10 時,顯然有g11 = g12 = g21 = g22≈0 ,分析系統(tǒng)的輸入導(dǎo)納和輸出阻抗如下:要保證輸入導(dǎo)納g11趨向于0 , 必然使得L 取值很大;要保證輸出阻抗g22趨向于0 ,必然使得C取值同樣很大,這給工程實際應(yīng)用帶來了局限性,這也正是LC 平波電路的缺點。以下再分析在工程實際中廣泛應(yīng)用的四階直流線路平波器,其原理圖如圖5 所示。

其混合參數(shù)方程如下:

式中:

如果令:,則可以求得相應(yīng)的參數(shù)如下: g11 = gz ; g12 = g21 = z ; g22 = - l₁ sz

下面我們來分析此平波器電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性,此平波器的電壓傳遞函數(shù)為:

將g 參數(shù)代入, 應(yīng)用MATLAB 做出其對數(shù)幅頻特性曲線如下所示:

顯然:在低頻段輸出電壓的衰減較小,高頻段的平波效果比較明顯。

由以上分析可以看出:由于此電路器件參數(shù)的選擇范圍較寬,因此較容易設(shè)計出滿足設(shè)計要求且適用于工程實際的平波器. 作者已將此電路應(yīng)用到了為長沙某公司所設(shè)計的開關(guān)電源中。

設(shè)計要求為:

①輸入1 000 V 的尖峰電壓,最大產(chǎn)生20 A 電流。

②平波器輸出電流從0～25 A 變化時,造成513 V 電壓波動不超過2 %。

據(jù)此設(shè)計要求可得到設(shè)計允許值:

輸入導(dǎo)納: 20/ 1000 = 0. 02

輸出阻抗: (1 2 %) = 20. 93～20. 11

作者最終選定的參數(shù)值為:

L 1 = 500μH; 　L 2 = 140μH; 　R0 = 0. 3 Ω;C1 = 470μf ; 　C2 = 40μf

將這組參數(shù)值代入式(3) 得到:

g = 5 ; z = 0. 003 ;

g11 = gz = 0. 015 ;

g12 = g21 = 0. 003 ;

g22 = 0. 2

加入此平波器前后開關(guān)電源輸出波形如下:

顯然,加入四階直流線路平波器后,輸出電壓紋波大大降低了。

3 　結(jié)語

在開關(guān)電源日益廣泛的應(yīng)用中,由于開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)而造成的電壓波動限制了開關(guān)電源的使用范圍,因此需要抑制由于電壓波動而造成的諧波干擾。本文應(yīng)用二端口網(wǎng)絡(luò)原理,對開關(guān)電源輸入平波電路的設(shè)計要求進(jìn)行了分析總結(jié),得出了三條設(shè)計原則。它適合于任何平波器的設(shè)計。從該設(shè)計原則出發(fā),也可以對現(xiàn)有的開關(guān)電源輸入平波器性能進(jìn)行分析。本文給出了一個應(yīng)用該原則設(shè)計出的四階直流線路平波器,并用在了工程實際,運行結(jié)果表明:該原理理論性與實踐性均較好,具有通用性。