開關(guān)電源紋波產(chǎn)生的原因及解決措施

開關(guān)具有效率高、輸出電壓可調(diào)面積大、損失率小、體積小、重量輕等特點(diǎn)，深受應(yīng)用。由于開關(guān)體積小，輸出電壓輸出的波形含量高于同功率線性電源。如何降低波形含量是開關(guān)應(yīng)用和制造技術(shù)的一項(xiàng)重要技術(shù)問題。在分析了buck電路后，我們發(fā)現(xiàn)了影響波輸出的因素和改進(jìn)措施。1變壓器輸出紋波的產(chǎn)生Buck類型開關(guān)電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.通常情況下,開關(guān)電源首先把電網(wǎng)電壓全波整流變?yōu)橹绷麟?經(jīng)高頻開關(guān)變換由變壓器降壓,經(jīng)高頻二極管整流濾波后,得到穩(wěn)定的直流電壓輸出.其自身含有大量的諧波干擾,同時(shí)由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰都形成了電磁干擾源,這些尖峰就是輸出紋波.輸出紋波主要來源于4個(gè)方面:低頻紋波、高頻紋波、共模紋波、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振等.2橡膠電路產(chǎn)生的波理和計(jì)算2.1導(dǎo)通狀態(tài)的紋波電流電感的定義:L=dλdi=ΝdΦdi.(1)L=dλdi=NdΦdi.(1)λ為線圈磁鏈;N為線圈匝數(shù);i為流經(jīng)線圈的電流;Φ為線圈磁通.如果式(1)兩端以時(shí)間t為變量進(jìn)行微分計(jì)算,可得Ldidt=ΝdΦdt=v.Ldidt=NdΦdt=v.這便是大家所熟知的電感電壓降回路方程.現(xiàn)在假設(shè)對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的開關(guān)周期,在開關(guān)管導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài),輸入輸出電壓都基本沒有變化,可以寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的L兩端的電壓.導(dǎo)通狀態(tài)L兩端的電壓Von=Vi-Vsat-Vo,Von=Vi?Vsat?Vo,關(guān)斷狀態(tài)L兩端的電壓Voff=-VF-Vo.Voff=?VF?Vo.Vsat為開關(guān)管的導(dǎo)通壓降;VF為二極管的導(dǎo)通壓降.由于Vsat和VF相對(duì)于Vi和Vo很小,這里忽略不計(jì),可以得到Von=Vi-Vo,(2)Voff=-Vo.(3)Von=Vi?Vo,(2)Voff=?Vo.(3)可以看出Von和Voff都是常數(shù),即對(duì)于Ldidt=vLdidt=v,不論在導(dǎo)通狀態(tài)還是在關(guān)斷狀態(tài)都有didt=vL=const(4)didt=vL=const(4)為常數(shù),所以可以用ΔiΔtΔiΔt替換didtdidt,代入式(4)并整理得Δi=v?ΔtL.Δi=v?ΔtL.可以認(rèn)為Δi就是電感線圈中的紋波電流,將導(dǎo)通和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的時(shí)間和電壓式(2)和式(3)代入上式,分別寫出導(dǎo)通狀態(tài)和關(guān)斷狀態(tài)時(shí)的紋波電流表達(dá)式:Δion=(Vi-Vo)tonL,(5)Δioff=-Vi?toffL.(6)Δion=(Vi?Vo)tonL,(5)Δioff=?Vi?toffL.(6)Δion為導(dǎo)通狀態(tài)紋波電流;ton為導(dǎo)通時(shí)間;Δioff為關(guān)斷狀態(tài)紋波電流;toff為關(guān)斷時(shí)間.在電源穩(wěn)定工作時(shí),Δion=-Δioff=ΔiL,(7)Δion=?Δioff=ΔiL,(7)ΔiL為線圈上紋波電流的絕對(duì)值.將式(5)和式(6)代入式(7),整理得tontoff=VoVi-Vo,tontoff=VoVi?Vo,進(jìn)而得出tontoff+ton=ton?fs=VoVi,ton=VoVi?fs.(8)tontoff+ton=ton?fs=VoVi,ton=VoVi?fs.(8)fs為開關(guān)頻率.將式(8)代入式(5),得ΔiL=Vo(1-Vo/Vi)fs?L.(9)ΔiL=Vo(1?Vo/Vi)fs?L.(9)式(9)即為紋波電流的表達(dá)式.2.2般電容c處的插裝式電路設(shè)計(jì)注意到在輸出部分,電感電流在電容C和負(fù)載之間分割,有iL=io+iC.iL=io+iC.設(shè)在穩(wěn)態(tài)下,輸出到負(fù)載的電流不變.所以有ΔiL=ΔiC.ΔiL=ΔiC.這也是一種近似,因?yàn)榫退闶秦?fù)載恒定不變,由于電壓紋波的影響,電流也會(huì)改變的,但由于這個(gè)變化量和ΔiL相比很小,所以在此忽略.如果不忽略,也可以推導(dǎo)出更復(fù)雜的表達(dá)式.ΔiC加之于C就會(huì)產(chǎn)生紋波電壓.首先計(jì)算第一部分.當(dāng)ΔiC流過理想電容C時(shí),在C兩端產(chǎn)生的電壓變化ΔVC=ΔQC=1C∫iCdt,ΔVC=ΔQC=1C∫iCdt,取積分下限為ton/2,積分上限為toff/2,計(jì)算積分得ΔVC=ΔiL8?fs?C.(10)ΔVC=ΔiL8?fs?C.(10)計(jì)算第二部分,對(duì)于一般電容,都具有串聯(lián)等效電感和串聯(lián)等效電阻(其實(shí)還有并聯(lián)等效絕緣電阻).串聯(lián)等效電感只在較高頻率時(shí)起作用,在分析開關(guān)頻率時(shí)可以將其忽略,但必須考慮的是串聯(lián)等效電阻ESR.電流ΔiC流過ESR時(shí),會(huì)在ESR兩端產(chǎn)生電壓降,其值為ΔVESR=ESR?ΔiL.(11)ΔVESR=ESR?ΔiL.(11)ΔVESR也會(huì)作為紋波的一部分表現(xiàn)在輸出端上,所以總的紋波表達(dá)式為式(10)和式(11)的和,即Vro=ΔVC+ΔVESR=ΔiL(ESR+18?fs?C)=Vo(1-Vo/Vi)fs?L(ESR+18?fs?C).(12)Vro=ΔVC+ΔVESR=ΔiL(ESR+18?fs?C)=Vo(1?Vo/Vi)fs?L(ESR+18?fs?C).(12)Vro為總紋波;ESR為C的等效串聯(lián)電阻.式(12)即是Buck類型開關(guān)電源的紋波電壓的近似表達(dá)式,其中的每個(gè)變量都是影響紋波的因素,調(diào)整這些變量就是調(diào)整紋波的主要方法.3等式邊界條件下測(cè)試根據(jù)式(12),逐一分析影響紋波電壓的因素.1)首先觀察括號(hào)內(nèi)的因素ESR+18?fs?CESR+18?fs?C.試取一個(gè)典型的值計(jì)算一下,如fs=300kHz,C=470μF,可知為18?fs?C=0.89mΩ18?fs?C=0.89mΩ.盡管對(duì)于ESR的計(jì)算要考慮很多因素,一般情況下,電解電容和若干陶瓷電容并聯(lián)后的等效電阻ESR在十幾到幾十mΩ之間,由此可見ESR是紋波產(chǎn)生的主要因素,并且C取值的增加不會(huì)顯著改變紋波.2)其次觀察等式右邊的前半部分Vo(1-Vo/Vi)fs?L.如果L或者fs增大,則Vro變小,可以減小紋波,即增大電感的值和提高開關(guān)頻率可以降低紋波.3)最容易忽略的是輸出電壓和紋波的關(guān)系.考察Vo對(duì)Vro的變化率.在所有其他因素都不改變的條件下,將Vro對(duì)Vo求導(dǎo),可得?Vro?Vo=Κ(1-2VoVi)其中Κ=1fs?L(ESR+18?fs?C).(12)令?Vro?Vo=0,有Vo=Vi2,此時(shí)電源輸出的紋波最大.Vo無論大于還是小于這個(gè)值,紋波都將減小.由該規(guī)律可以推算輸出電壓調(diào)整的電源模塊的紋波.4)在實(shí)際工作中,一切可以調(diào)整的因素都是相對(duì)穩(wěn)定的,并且?guī)в幸欢ǖ膶?shí)際工作誤差.因此在考慮開關(guān)頻率、L和C的取值的時(shí)候,要考慮干擾因素,選取受到很多因素影響的一個(gè)折中的結(jié)果.調(diào)整這些取值要考慮其他制約因素,下面列舉一些制約因素,在調(diào)整參數(shù)時(shí)需要注意:a)提高開關(guān)頻率將使系統(tǒng)功耗增大,電源效率降低,溫度升高,帶來散熱問題.b)開關(guān)頻率受到開關(guān)管、控制芯片、二極管及其他因素的限制,不能無限提高.c)提高L的值會(huì)使電感體積增加,成本增加,而電感的選擇面是比較窄的.d)無論是修改L、C或是開關(guān)頻率,都要注意電源的穩(wěn)定性.通過上述分析可以得知,降低ESR可以降低紋波干擾,即在實(shí)際通常使用電解和若干瓷片電容并聯(lián)的方法降低輸出C的ESR,進(jìn)而降低紋波干擾.4儲(chǔ)層電解電容和薄膜電容復(fù)合導(dǎo)電材料的esr特性本文通過對(duì)Buck電路中元器件的計(jì)算公式,推導(dǎo)出紋波電壓、電流的計(jì)算公式.根據(jù)影響因素,對(duì)電感量、電容量的選擇進(jìn)行分析比較,從而得出紋波的抑制方法.然而問題并沒有完全解決,