反激變換器輸出紋波電壓分析與測量

徐 強(qiáng)，董 威

（西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

1 引 言

反激變換器在輸出功率為5～150W電源中應(yīng)用非常廣泛。在反激拓?fù)渲?，開關(guān)導(dǎo)通期間能量被存儲在一個功率電感器中，該電感器就像變壓器一樣；在開關(guān)關(guān)斷期間，能量則被傳輸?shù)截?fù)載。它的最大優(yōu)點是不需要接輸出濾波電感，使反激變換器成本降低，體積減小。其缺點就是輸出電壓中存在較大的紋波。為了抑制反激變化器紋波，使其應(yīng)用更加廣泛，對反激變換器紋波電壓產(chǎn)生原因的分析及正確紋波測量方法的研究就顯得至關(guān)重要了。該文通過分析DCM和CCM模式下反激變換器的能量傳輸過程，總結(jié)出反激變換器紋波產(chǎn)生的根本原因。紋波電壓是開關(guān)電源的主要性能參數(shù)之一，如何精準(zhǔn)測量是一個十分重要問題。目前主要利用寬頻帶示波器來測量紋波，能精準(zhǔn)地測出紋波電壓值。該文詳細(xì)介紹了幾種利用示波器測量紋波的方法。

2 反激變換器紋波產(chǎn)生機(jī)理

2.1 反激式開關(guān)電源工作原理

反激變換器的拓?fù)淙鐖D1所示。開關(guān)管導(dǎo)通時，各繞組同名端的電壓相對與異名端為正，輸出整流管D反偏，次級線圈沒有電流流出，電容C單獨向負(fù)載供電。開關(guān)管導(dǎo)通期間，初級線圈的電壓恒定，其電流線性上升，斜率為：

其中，LP是初級電感。

在導(dǎo)通結(jié)束前，初級電流上升達(dá)到：

開關(guān)管關(guān)斷時，勵磁電感的電流使各繞組電壓反向，由于電感電流不能突變，在開關(guān)管關(guān)斷瞬間，變壓器次級電流幅值為：

開關(guān)管關(guān)斷時，Nm異名端為正，二極管D導(dǎo)通，有電流IS流出并線性下降，斜率為：

圖1 反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中LS為次級電感。若次級電流IS在開關(guān)管再次導(dǎo)通之前降到零，則變壓器儲存的能量在開關(guān)管再次導(dǎo)通前已全部傳送到負(fù)載，變壓器工作于不連續(xù)模式（DCM）。若在開關(guān)管再次導(dǎo)通前IS沒有降到零，則變壓器工作于連續(xù)模式（CCM）。

2.2 DCM模式下能量傳輸過程中紋波的產(chǎn)生

當(dāng)變換器工作于DCM時，等效電感電流波形如圖2所示，據(jù)此可將變換器開關(guān)在一個周期內(nèi)的能量傳輸過程分成四個階段：

圖2 DCM模式下電感電流和輸出電容波形圖

第一階段（0-t1）：電容C單獨向負(fù)載供電，等效電路圖如圖3（a）所示。此時，電容電壓線性下降，反激變壓器儲存能量，等效電感電流線性上升。

第二階段（t1-t2）：電感單獨供能，其等效電路如圖3（b）所示。此時，電感電流iL大于輸出電流IO，電感不僅向負(fù)載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升。這一階段一直持續(xù)到t2時刻電感電流線性下降到iL=IO。

第三階段（t2-t2a）：當(dāng)電感電流iL

第四階段（t2a-t3）：電容單獨向負(fù)載供電，電容電壓線性下降。等效電路如圖3（a）。

2.3 CCM模式下能量傳輸過程中紋波的產(chǎn)生

當(dāng)反激變換器工作于CCM模式時，根據(jù)電感電流的最小值ILV與輸出電流IO的比較，將其進(jìn)一步細(xì)分成兩種能量傳輸模式：當(dāng)ILV>IO時稱為完全電感供能模式；而當(dāng)ILV

圖3 等效電路圖

電感完全供能模式。此時ILV>IO，所以開關(guān)關(guān)斷期間，電感不僅向負(fù)載供能，同時還給電容充電，其等效電路如圖3（b）所示；在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感儲能，二極管D反偏截止，電容單獨向負(fù)載供電，等效電路如圖3（a）所示。電感電流和電容電壓波形如圖 4（a）所示。

不完全電感供能模式。此時ILVIO，電感不僅向負(fù)載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升，如圖4（b）所示的t1-t2段。第2階段為電感和電容同時向負(fù)載提供能量階段，其等效電路如圖 3（c）所示，此時 iL

2.4 反激變換器的紋波

綜上，不管是那種工作模式，隨著開關(guān)管的開關(guān)，各個階段的能量傳輸使得輸出電容兩端的電壓VO在標(biāo)準(zhǔn)輸出值附近上下波動，形成了三角形開關(guān)紋波，其頻率與開關(guān)頻率相等。

圖4 CCM模式下電感電流和輸出電容波形圖

3 紋波測量

3.1 示波器測量紋波

用示波器測量紋波，主要裝置包括被測開關(guān)電源、負(fù)載、示波器及測量連線。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。測量過程中要注意以下幾點：

（1）要防止環(huán)境的電磁干擾（EMI）侵入；

（2）要防止負(fù)載電路可能產(chǎn)生的EMI干擾；

（3）對小型開關(guān)型模塊電源，由于內(nèi)部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上適當(dāng)?shù)妮敵鲭娙荨?/p>

為滿足第（1）條要求，測量連線應(yīng)盡量短，并采用雙絞線（消除共模噪聲干擾）或同軸電纜；一般的示波器探頭不能用，需用專用示波器探頭；并且測量點應(yīng)在電源輸出端上，若測量點在負(fù)載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第（2）點，負(fù)載應(yīng)采用阻性假負(fù)載。

3.2 幾種測量方法及裝置

3.2.1 雙絞線測量法

雙絞線測量如圖5所示。采用300 mm長、#16AWG線規(guī)組成的雙絞線與被測開關(guān)電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負(fù)載。在雙絞線末端接一個4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為20MHz）的示波器。在測量點連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

圖5 雙絞線測量線路

這里要注意的是，雙絞線接地線的末端要盡量的短，夾在探頭的地線環(huán)上。

3.2.2 側(cè)靠法

圖6所示為一種專用示波器探頭直接與被測電源側(cè)靠接觸。專用示波器探頭上有個地線環(huán)，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環(huán)接觸電源的負(fù)極（GND），接觸要可靠。

圖6 專用探頭側(cè)靠法

這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因為通用示波器探頭的地線不屏蔽且較長，容易撿拾外界電磁場的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受干擾的影響越大。

3.2.3 同軸電纜測量法

圖7是在被測電源的輸出端接R、C電路后經(jīng)輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端。

圖7 同軸電纜測量線路

3.2.4 紋波和噪聲的測量標(biāo)準(zhǔn)

以上介紹了多種測量方法，同一個被測電源若采用不同的測量方法，其測量的結(jié)果是不相同的，若能采用一樣的標(biāo)準(zhǔn)測量裝置來測，則測量的結(jié)果才有可比性。該文將介紹一種基于EIAJ-RC 9002A測量標(biāo)準(zhǔn)的測量裝置，如圖8所示。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在被測電源輸出正、負(fù)端100mm處并聯(lián)兩個電容，一個為100μF電解電容，一個為0.1μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負(fù)載及不超過1.5 m長的50 Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻和串接一個0.1μF的電容后接入示波器，示波器的帶寬為20MHz。同軸電纜的兩端連接線應(yīng)盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。連接負(fù)載的線若越長，則測出的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必要并聯(lián)兩個電容。若示波器探頭的地線太長，則紋波和噪聲的測量不可能精確。另外，測試應(yīng)在溫室條件下，被測電源應(yīng)輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負(fù)載電流。

圖8 基于EIAJ-RC9002A測量標(biāo)準(zhǔn)

4 實驗及結(jié)果

在比較干凈的電磁環(huán)境下，接地情況良好，采用同軸電纜法對輸出電壓為15 V的某型號開關(guān)電源進(jìn)行了紋波測量。測量結(jié)果如圖9。

5 結(jié)束語

在反激變換器的能量傳輸過程中，不同的傳輸模式下，根據(jù)電感電容的電流電壓波形圖把整個過程分為相應(yīng)的幾個階段，從根本上分析出了反激變換器紋波產(chǎn)生的原因；總結(jié)了正確的紋波測量方法、裝置、具體的線路圖、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和測量結(jié)果。因此，該文為進(jìn)一步研究電源紋波，抑制電源紋波奠定了基礎(chǔ)。

圖9 測試結(jié)果圖

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