開關電源紋波產(chǎn)生的機理和解決方案

1、紋波產(chǎn)生的機理

常規(guī)AC/DC，關電源的工作模式是把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟姡?jīng)高頻開關變換由開關變壓器隔離并升、降壓，經(jīng)高頻二極管整流濾波后以直流電輸出。開關電源輸出紋波主要來源于五個方面：輸入低頻紋波、高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開關過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

低頻紋波

低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關。由于開關電源體積的限制，電解電容的容量不可能無限制地增加，導致輸出低頻紋波的殘留，該輸出紋波頻率隨整流電路方式的不同而不同。

一般的開關電源由AC/DC和DC/DC兩部分組成。AC/DC的基本結構為整流濾波電路，它輸出的直流電壓中含有交流低頻紋波，其頻率為輸入交流電源頻率的二倍，幅值與電源輸出功率及濾波電容容量有關，一般控制在10%以內(nèi)。該交流紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開關電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)的增益決定。例如：對普通24V電源來說，電壓型控制DC/DC變換器的紋波抑制比一般為45～50dB，其輸出端的低頻交流紋波有效值為60～120mV。電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制比稍有提高，但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實現(xiàn)開關電源的低紋波輸出，則必須對低頻電源紋波采取濾波措施。可采用前級預穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。

高頻紋波

高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關變換電路，在電路中，通過功率器件對輸入直流電壓進行高頻開關變換而后整流濾波再實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開關工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對外電路的影響大小主要和開關電源的變換頻率、輸出濾波器的結構和參數(shù)有關，設計中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對高頻開關紋波的濾波要求。

共模紋波噪聲

由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導線存在寄生電感，因此當矩形波電壓作用于功率器件時，開關電源的輸出端因此會產(chǎn)生共模紋波嗓聲。減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并在輸出側加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。

超高頻諧振噪聲

超高頻諧振噪聲主要來源于高頻整流二極管反向恢復時二極管結電容、功率器件開關時功率器件結電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，通過選用軟恢復特性二極管、結電容小的開關管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲

開關電源都需對輸出電壓進行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)器參數(shù)設計的不適當也會引起紋波。當輸出端波動時通過反饋網(wǎng)絡進入調(diào)節(jié)器回路，可能導致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率。

2、抑制紋波的一般措施和方法

低頻紋波的抑制

低頻紋波抑制的幾種常用的方法：

a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)，使低頻紋波降低到所需的指標。
b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。

高頻紋波的抑制

高頻紋波抑制的目的是給高頻紋波提供通路，常用的方法有以下幾種：

a、提高開關電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，有利于抑制輸出高頻紋波。
b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻紋波。
c、采用多級濾波。

共模紋波噪聲的抑制

減小輸出共模紋波嗓聲的常用方法：

a.輸出采用專門設計的EMI濾波器
b.降低開關毛刺幅度

閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)不適當引起的紋波抑制

在開關直流電源中，往往因調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇不適當會引起輸出紋波的增大，這部分紋波可通過以下方法進行抑制。

a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對地的補償網(wǎng)絡，調(diào)節(jié)器的補償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大。

b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)過大有時會引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過小的開環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加，所以調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負載狀況進行調(diào)節(jié)。

c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，使延時滯后降到最小，以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時性，對抑制輸出電壓紋波是有益的。

審核編輯：劉清