抑制波紋晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)

孫亞中

摘要： 本文分析了開關(guān)電源中波紋產(chǎn)生的原因以及抑制波紋常用的方法，給出了一種抑制波紋的晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源電路。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得出文中提出的晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源能夠較好地抑制電源中的干擾。

Abstract： This paper analyzes the reasons of ripple produced in switching power supply and ripple suppression methods commonly used. A transistor switching power supply circuit of the ripple suppression is brought forward in the paper. Through the experimental test， it is concluded that the transistor switching regulated power supply can restrain the interference in the power supply.

關(guān)鍵詞： 波紋；開關(guān)電源；晶體管

Key words： ripple；switching power supply；transistor

中圖分類號(hào)：TN321 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）35-0122-03

0 引言

在用電控制的儀器設(shè)備中，都需要穩(wěn)壓電源，由于價(jià)格、功率等的要求，因此設(shè)計(jì)人員更傾向于使用開關(guān)電源，而很少使用線性電源。開關(guān)電源的優(yōu)勢(shì)在于轉(zhuǎn)換效率高，最高可以達(dá)到將近97%，另外開關(guān)電源重量輕、體積小。開關(guān)電源最大的缺點(diǎn)是輸出的紋波和噪聲電壓較大，而這一性能影響到儀器設(shè)備的運(yùn)行，特別是對(duì)于需要處理小信號(hào)的儀器中，電源產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)干擾輸入的信號(hào)，使得儀器無法正確運(yùn)行。如何處理好電源的噪聲，有很多方法[1][2]，本文通過一個(gè)典型電源電路分析開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因及減小紋波和噪聲的措施，并詳細(xì)探討了電源各部分電路的原理功能和實(shí)現(xiàn)的方法。

1 干擾產(chǎn)生分析

電信號(hào)干擾分為：噪聲（nois）和紋波（ripple）兩種，其表現(xiàn)形式為圖1形式。

噪聲的定義是指在直流電壓或電流中，疊加了振幅和頻率上完全無規(guī)律的交流分量。該分量會(huì)干擾電路的分析、邏輯關(guān)系，影響其設(shè)備正常工作。紋波是指疊加在直流電壓或電流上的交流信號(hào)，會(huì)降低電源的效率，嚴(yán)重的波紋更有可能會(huì)損壞用電設(shè)備，另外波紋還會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響設(shè)備工作狀態(tài)。

通常的開關(guān)電源輸出的直流電壓中疊加了由噪聲和波紋引起的交流信號(hào)。波紋主要是由于開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作造成的，而波動(dòng)的頻率跟開關(guān)的頻率是一致的，大小取決于輸入、輸出電容的參數(shù)。作為開關(guān)的元件都有寄生的電感與電容，當(dāng)元件在電流流動(dòng)變化工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電壓與電流的浪涌，這些浪涌信號(hào)都會(huì)在電源產(chǎn)生干擾信號(hào)。浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設(shè)備的峰值電流。該峰值電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)輸入電流，這種瞬時(shí)過電流稱為浪涌電流，是一種瞬變干擾。

噪聲電壓主要跟電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電路中的寄生參數(shù)、工作的電磁環(huán)境以及印制電路板的布線有關(guān)。

當(dāng)信號(hào)較小的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生干擾的信號(hào)。圖2（a）是實(shí)驗(yàn)信號(hào)波形，（b）是小信號(hào)上疊加了干擾的波形。干擾可以表現(xiàn)為尖峰、階躍、正弦波或隨機(jī)噪聲，干擾的產(chǎn)生來自多方面，電路設(shè)計(jì)不合理、器件使用不當(dāng)、工作環(huán)境干擾、電源噪聲等，其中電源產(chǎn)生的噪聲是常見主要的原因，而這些干擾信號(hào)會(huì)造成后續(xù)電路一系列的處理誤差，所以在要求較高的場(chǎng)合，這樣的噪聲是必須要解決的。

2 解決措施

開關(guān)電源電路一般由整流平滑電路、集成開關(guān)電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測(cè)電路、次級(jí)側(cè)整流平滑電路等構(gòu)成。其工作原理：開關(guān)電路供應(yīng)穩(wěn)定電壓和平滑的電流，是本電路的主要部分，開關(guān)晶體管的集電極電流決定電源的輸出電流。紋波的解決措施[3][4]主要有：調(diào)整電感和電容參數(shù)、增加電容電阻緩沖網(wǎng)絡(luò)。

2.1 調(diào)整電感和電容參數(shù)

電流波動(dòng)與電感參數(shù)、以及輸出電容大小有關(guān)，通常電感值越小，波動(dòng)越大，輸出電容值越小，波紋越大。因此可以通過增大電感值和輸出電容值來降低波紋。

式中Imax是紋波的峰值，輸出電容值增加可以降低波紋。

在這里以BUCK型開關(guān)電源為例，當(dāng)開關(guān)電源工作時(shí)，提供的電壓不變，但是電流會(huì)變化，為了穩(wěn)定電源的輸出電流，在如圖4（a）的指示位置并聯(lián)一個(gè)電容C+。

通過增加電感值的方法來減小波紋的做法是受限的。因?yàn)殡姼性酱?，體積就越大。電感的取值可以這樣計(jì)算：假定輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，工作頻率為f，輸出電流為I，電感中電流的波動(dòng)值為？駐I的話，有：

就可以計(jì)算電感值了。

在電路調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，隨著C+不斷增加，減小波紋的效果會(huì)越來越差，同時(shí)增加f，會(huì)增加開關(guān)損失。因此可以通過再加一級(jí)LC濾波器的方法來改善，如圖4（b）所示。LC濾波器抑制波紋的效果較好，只要根據(jù)需要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容即可。

2.2 增加電容電阻緩沖網(wǎng)絡(luò)

在二極管高速導(dǎo)通截止時(shí)，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間，等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器，產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻與電容取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定，一般選擇電阻為10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。如果選用不當(dāng)，反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

3 電路設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)出了一種開關(guān)穩(wěn)壓電源如圖5所示，采用可控硅觸發(fā)方式。通過整流放大后的波紋去觸發(fā)可控硅的導(dǎo)通，當(dāng)整流電壓值為零時(shí)，可控硅自動(dòng)關(guān)斷。只要用輸出電壓的變化來控制觸發(fā)信號(hào)的前沿，即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓電路主要由可控硅、4個(gè)晶體管和1個(gè)變壓器等組成，如圖5所示。我們?cè)趍ultisim環(huán)境下對(duì)該電路進(jìn)行仿真，效果非常好。再用實(shí)際電路搭試，并加上30歐姆純電阻阻抗后，選取了7個(gè)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試波形見圖6所示。 圖中變壓器T、二極管D1～D4和電容器C1-4組成整流濾波電路，測(cè)試點(diǎn)1電壓紋波波形見圖6中1的圖像，顯然是在全波整流后的紋波出現(xiàn)；電阻R2、R3和隔直電容C5組成取樣電路，測(cè)試點(diǎn)2電壓紋波波形見圖6中2的圖像；控制可控硅的紋波信號(hào)測(cè)試點(diǎn)3、4電壓紋波波形見圖6中的3、4的圖像；隔直后的測(cè)試點(diǎn)5電壓紋波波形見圖6中的5的圖像；線圈T2控制信號(hào)的初級(jí)波形見圖6中7的圖像；線圈T2次級(jí)控制可控硅信號(hào)見圖6中6的圖像。當(dāng)電壓沒有紋波時(shí)，線圈T2不發(fā)揮作用，但當(dāng)電壓有波動(dòng)時(shí)（紋波），則自動(dòng)控制可控硅工作，抑制電壓的波動(dòng)。在電路中的電感對(duì)抑制電壓的波動(dòng)也起到了良好的作用，其電感值可以根據(jù)電壓的大小和對(duì)紋波的要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇。該電路在最后的輸出功率可以達(dá)到110W，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化10-104歐姆時(shí)，電壓變化的范圍大約是1毫伏。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)開關(guān)電源噪聲與紋波的產(chǎn)生原因和抑制方法進(jìn)行了分析和討論，并設(shè)計(jì)出了一種晶體管開關(guān)穩(wěn)壓電源電路，觀察仿真實(shí)驗(yàn)，可以得出該設(shè)計(jì)能夠抑制一定的電源噪聲與波紋。在實(shí)際中，需要依據(jù)產(chǎn)品的參數(shù)，如體積、成本等問題綜合考慮，選擇合適的設(shè)計(jì)方法。

參考文獻(xiàn)：

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