開關(guān)電源紋波抑制研究

摘要：提出開關(guān)電源紋波的定義，分析開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因，并提出幾種抑制紋波的方法。最后針對一款特殊開關(guān)電源，論述了開關(guān)電源的輸出穩(wěn)定性問題。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，研究分析了幾種抑制紋波的方法，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；紋波抑制；反饋控制；半導(dǎo)體激光器

0 引言
近年來，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)研究等方面有著越來越廣泛的應(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題，專門用于大功率的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動。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。本文通過對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)過整流濾波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，開關(guān)管的高速開通和關(guān)斷，就會引起輸出電壓的波動，在輸出回路中的快恢復(fù)二極管和電感也會引起輸出電壓的波動。這些高頻低頻的波動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)都會有一個上升時(shí)間和下降時(shí)間，這時(shí)就會在電路中引起一個同頻率的噪聲。輸出回路上的電感也會隨著充電放電產(chǎn)生一個噪聲，同時(shí)也會有漏感產(chǎn)生。在導(dǎo)線與導(dǎo)線之間，元器件的引腳之間還會存在各種寄生電感，這些寄生電感會遵循如下公式產(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都是一個重要的參數(shù)，尤其是應(yīng)用半導(dǎo)體激光器的場合，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)就一個合適的濾波器濾除。濾波器有有源濾波器也有無源濾波器。濾波器是在輸出回路中并聯(lián)或者串聯(lián)若干電阻電容來實(shí)現(xiàn)的。該方法必須通過詳細(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，而且體積也會隨之增大。LC低通濾波器見圖1。

開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生其中一個主要因素在于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LC吸收電路舉例。該方法適用于MOSFET外置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對于一些內(nèi)置集成MOSFET的集成模塊就無能為力。而且這種吸收電路同樣也需要精確計(jì)算。

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調(diào)整MOSFET上控制端PWM的頻率，或采用多路疊加的思路。通過調(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使紋波大大減小，提高性能。如圖3，圖4所示。

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，或者外部噪聲因素使得主副電源相位發(fā)生變動，相差不再是180°時(shí)，反而會使文波幅值、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，將該信號反饋給副電源，讓副電源及時(shí)糾正相位差，以保持兩個電源相位差為180°。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
開關(guān)電源的紋波測試方法大致可分為兩種，一種為電壓信號，一種為電流信號。測試負(fù)載選用與半導(dǎo)體激光器相近的大功率二極管，測試二極管兩端的電壓信號。紋波電壓是疊加在直流電壓上的交流小信號，將示波器耦合模式調(diào)整為交流耦合，去除直流量的測量。在測試過程中要注意保護(hù)示波器探頭，避免測試過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，將紋波信號放大后反饋回時(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)控制方便簡單，但是要采集信號必須采用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。

輸出回路中串聯(lián)一個小電阻，電流紋波的變化可以從這個小電阻兩端電壓變化來體現(xiàn)，將這個電壓通過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)這個變化而適時(shí)調(diào)整兩個電源的相位差。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。

4 結(jié)語
開關(guān)電源由于其自身結(jié)構(gòu)必然會產(chǎn)生紋波，在各種應(yīng)用環(huán)境中總是力求紋波無限小。基于電源成本，電路復(fù)雜程度，應(yīng)用場合參數(shù)要求不同，各種紋波消除手段均有其優(yōu)勢。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。隨著對開關(guān)電源的不斷探索，性能更高的電源技術(shù)必將會被開發(fā)出來。在驅(qū)動大功率半導(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。