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(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。

　　紋波是工頻引起的，減小紋波，作用很大的方法：

　　1.，輸出用π型電路，就是一個(gè)電容，一個(gè)電感，再一個(gè)電容的方式。

　　2。輸出電容一定要用高頻低阻，甚至用固態(tài)電容，

　　這兩點(diǎn)是最有效果的方法。 還有加大電容容量都行，但這個(gè)效果就沒那么明顯

　　開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生

　　我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達(dá)到這個(gè)目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生，首先要清楚開關(guān)電源紋波的種類和產(chǎn)生原因。

　　隨著SWITCH的開關(guān)，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會出現(xiàn)一個(gè)與SWITcH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開關(guān)電源相同，為幾十到幾百KHz。

　　另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候，都會有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復(fù)瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會引起諧振，產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

　　如果是AC／DC變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC噪聲，頻率是輸入AC電源的頻率，為50～60Hz左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。因?yàn)楸救耸亲?a target="_blank">汽車電子研發(fā)的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開關(guān)電源紋波的測量

　　基本要求：使用示波器AC耦合 ，20MHz帶寬限制 ，拔掉探頭的地線

　　1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。

　　2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測量的時(shí)候應(yīng)除去。

　　3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。

　　還有一點(diǎn)是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω模塊是除去DC成分，精確測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時(shí)不清楚。

　　上面是測量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。

　　在測量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同?？赡懿煌墓居胁煌臏y試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。

　　紋波抑制方法

　　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(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。

　　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(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(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(gè)電源相位差為180°。

　　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(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體現(xiàn)，將這個(gè)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(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。

　　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(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。