電源效率提升及紋波抑制技術(shù)研究

張洧川　王琳　何小鵬　陳杰　趙陽

【摘 要】儀控設(shè)備中，各型功能模塊的供電需要通過電源模塊來將工頻交流電轉(zhuǎn)換為其他功能模塊所需直流電壓，因此，電源作為交流-直流的能量轉(zhuǎn)換單元，其效率直接影響了儀控設(shè)備整機的發(fā)熱情況，進(jìn)而影響包含了大量電子元器件的儀控設(shè)備的可靠性。同時，由于電源模塊將給核測設(shè)備，過程測量設(shè)備等精密采集設(shè)備供電，其供電品質(zhì)將極大影響這些設(shè)備的采集精度，傳統(tǒng)的高效率開關(guān)電源技術(shù)將很大程度上惡化了電源品質(zhì)，因此有必要在保證效率的同時兼顧電源模塊的供電品質(zhì)。本文結(jié)合相關(guān)應(yīng)用需求，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，運用PFM調(diào)制技術(shù)，結(jié)合對應(yīng)紋波抑制技術(shù)，對現(xiàn)有電源模塊進(jìn)行了改進(jìn)，實現(xiàn)了滿負(fù)載情況下效率60%->80%，紋波峰峰值<5mV的性能。

【關(guān)鍵詞】開關(guān)電源;高效率;環(huán)路穩(wěn)定性;PFM

中圖分類號： TL36 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）16-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.001

Research on Power Efficiency Improvement and Wave Supprssion Technology

ZHANG Wei-chuan WANG Lin HE Xiao-peng CHEN Jie ZHAO Yang

（China institute of nuclear power research and design，Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】In instrument and control equipment，the power supply of each functional module needs DC voltage converted from AC voltage accomplished by power module.Therefore，as an AC-DC energy conversion unit，the efficiency of power supply directly affects the heating condition of instrument and control equipment，and then affects the reliability of instrument and control equipment containing a large number of electronic components.At the same time，because the power supply module will supply power to nuclear testing equipment， process measuring equipment and other precision acquisition equipment，the quality of power supply will greatly affect the acquisition accuracy of these equipment.The traditional high-efficiency switching power supply technology will greatly deteriorate the quality of power supply，so it is necessary to ensure the efficiency while taking into account the power supply quality of power supply module.In this paper，the existing power supply module is improved by using PFM modulation technology and ripple suppression technology on the basis of full investigation.The efficiency of the power supply module is 60%->80% under full load， and the ripple peak value is less than 5mV.

【Key words】Switching power supply;High efficiency;Loop stability;PFM

1 概述

1.1 由電源熱耗所引起發(fā)熱現(xiàn)象

儀控設(shè)備中所有用電設(shè)備均需電源模塊提供，有電源模塊來實現(xiàn)輸入電壓與輸出電壓間不同電平的轉(zhuǎn)換，同時，電源模塊在轉(zhuǎn)換過程中，會在模塊中消耗一部分電能，并以熱能形式釋放，能量轉(zhuǎn)換關(guān)系及效率含義如下式所示。

當(dāng)電源模塊的轉(zhuǎn)換效率？濁較低時，耗散熱能PDIS將不可避免地增大。同時，由于儀控設(shè)備內(nèi)部到周圍的熱沉間存在熱阻，耗散的熱能與熱阻，溫升間的關(guān)系滿足式3，因此耗散熱能必將使得設(shè)備內(nèi)部尤其是靠近電源插件的位置溫度升高。

以某款儀控設(shè)備為例，設(shè)備中各插件的面板溫度情況如表1所示，可以看出，靠近電源插件位置，由于電源插件熱耗較高，靠近電源插件的區(qū)域溫度明顯偏高。

表1 某款儀控設(shè)備面板溫度情況

本文針對該型儀控設(shè)備的電源模塊進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)。

1.2 電源紋波及噪聲現(xiàn)象

目前用于進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的電源主要可分為兩大類：線性電源與開關(guān)電源，兩者大致實現(xiàn)機理及優(yōu)缺點如表2所示。

兩者實現(xiàn)原理分別如圖1和圖2所示。

為了提升電源模塊轉(zhuǎn)換電能的效率，減少耗散熱能量，目前設(shè)備內(nèi)將交流電轉(zhuǎn)為直流電的電源模塊幾乎都是開關(guān)電源。

然而如上所述，開關(guān)電源輸出電壓品質(zhì)較差，為了給要求較高的場合供電，必須采用對應(yīng)的紋波及噪聲抑制措施。而同時實現(xiàn)高效率與高電源品質(zhì)，也成為了電源模塊設(shè)計的一大難題。

2 現(xiàn)有情況分析

2.1 需求分析

應(yīng)用于儀控設(shè)備的開關(guān)電源模塊需將220V/50Hz交流轉(zhuǎn)換為+5V，﹢15V，-15V電壓，并將這些直流電壓進(jìn)行輸出。其中+5V路電源要求具備8A的負(fù)載電流能力（負(fù)載調(diào)整率<5%），﹢15V與-15V電壓分別要求具備1A的帶載能力（負(fù)載調(diào)整率<5%），同時，﹢15V與-15V電壓輸出還要具備低電源紋波特性，紋波峰峰值小于5mV。

2.2 已有電源模塊情況分析

儀控設(shè)備要求電源模塊可輸出+5V，+15V，-15V電壓，且可在滿載情況下長期穩(wěn)定工作，三路電壓紋波峰峰值均小于5mV，然而其電源轉(zhuǎn)換效率較低，模塊發(fā)熱較為嚴(yán)重。

2.3 原因分析

由于現(xiàn)有電源模塊為定制電源模塊，沒有辦法準(zhǔn)確定位其低效率原因，結(jié)合其實測表現(xiàn)，將可能的原因羅列如下：

1）開關(guān)元件型號較老，開關(guān)損耗較高。

2）變壓器為了降低紋波，對其分布參數(shù)進(jìn)行了減弱噪聲的優(yōu)化，以減小輸出紋波，但這一優(yōu)化增加了變壓器損耗。

3）后級多級RLC濾波在改善紋波幅值的同時，也消耗了部分能量。

4）采用固定頻率的PWM模式，使得其輕載時效率較低。

對于可能的原因進(jìn)行分析，認(rèn)為開關(guān)元件為MOSFET，而該類元件已較為成熟;同時，電源模塊若選用通用變壓器，將不涉及優(yōu)化變壓器寄生參數(shù)而帶來的噪聲增加問題。若是變壓器因此原因1和原因2所造成的影響不為主要考慮因素;因此，為了對其效率進(jìn)行改進(jìn)，主要應(yīng)著眼于原因3及原因4。

3 改進(jìn)措施

3.1 措施分析

針對原因4，為了改善電源模塊在輕載條件下的效率，設(shè)計電源模塊在輕載模式下切換為較低的開關(guān)頻率，重載情況下使用較高的開關(guān)頻率。這一模式的缺點在于所引入的電源紋波更高，且紋波頻率分布范圍廣，抑制較為困難。

針對原因3，為了改善電源噪聲及紋波，對目前常用的紋波抑制措施及對應(yīng)優(yōu)缺點進(jìn)行調(diào)研，羅列如表3所示。

表3 常見紋波抑制措施及對應(yīng)優(yōu)缺點

綜上所述，對紋波進(jìn)行測試后發(fā)現(xiàn)，紋波主要以差模干擾為主，同時，為了確保電源模塊效率，最后選擇使用后級低壓差線性電源抑制紋波的方式進(jìn)行紋波抑制，由線性電源所引入的額外功率損耗滿載時僅為0.4W左右，相較15W的滿載輸出功率而言，引入的額外損耗可忽略不計。

3.2 措施附帶問題解決

施加線性電源對電源紋波進(jìn)行抑制時，反饋環(huán)路簡化示意圖如圖3所示。

可得傳遞函數(shù)如下式所示。

由巴特豪森判據(jù)可知，當(dāng)環(huán)路滿足以下條件時，將出現(xiàn)不穩(wěn)定：

對線性電源電路進(jìn)行小信號建模，得其環(huán)路小信號模型如圖4所示。

分析的關(guān)鍵即在于分析是否存在一個頻率的干擾信號，使得式5與式6所述的巴特豪森判據(jù)得到滿足，進(jìn)而引起環(huán)路振蕩。提取環(huán)路中存在的零極點下式所述。

為了改善環(huán)路穩(wěn)定性，主要對輸出濾波電容CO，反饋補償電容CF1，分壓電阻R1，R2進(jìn)行了優(yōu)化，盡可能地提高相位裕量與增益裕量，改善環(huán)路穩(wěn)定性。

將上述小信號模型在Matlab/Simulink中進(jìn)行建模，使用零極點函數(shù)模型描述前向傳遞函數(shù)和反饋函數(shù)，并得到代入相關(guān)參數(shù)，如圖5所示。

仿真結(jié)束后，繪出回路傳遞函數(shù)波特圖，如圖6所示。

由圖6可知，相位裕度約為63°，反饋環(huán)路具備較高穩(wěn)定性。

4 測試

4.1 電源效率測試

將老款電源模塊和改進(jìn)設(shè)計的電源模塊同樣接在1#機箱和2#機箱中進(jìn)行測試，分別測試其轉(zhuǎn)換效率情況，測得其轉(zhuǎn)換效率對比情況如表4所示。

4.2 發(fā)熱測試

在25℃室溫對老款電源模塊和改進(jìn)設(shè)計的電源模塊進(jìn)行了對比測試，使用功率電阻為各路電源輸出搭建負(fù)載，如表5所示。

在接通負(fù)載與電源穩(wěn)定工作3～4小時后，使用熱成像儀分別測量并記錄霍威電源模塊和新研電源模塊前面板、蓋板面、散熱面和上面的發(fā)熱情況。連續(xù)工作3～4小時后，老款電源模塊和新研電源模塊盒體的發(fā)熱情況測量結(jié)果如表6所示。

新研電源模塊相較老款電源模塊在同等負(fù)載下連續(xù)長時間工作后的發(fā)熱更低，盒體平均溫度相差約10℃，可見新研電源模塊在功耗和發(fā)熱方面更具優(yōu)勢。

4.3 紋波抑制性能測試

使用示波器對施加紋波抑制電路前后的電源紋波進(jìn)行測試，以+15V路為例，測試結(jié)果如圖7所示。

（a）空載條件下+15V路輸出電源紋波

（b）20歐負(fù)載條件下+15V路輸出電源紋波

（c）經(jīng)過紋波抑制電路后，空載條件下

+15V路輸出電源紋波

（d）經(jīng)過紋波抑制電路后，20歐負(fù)載條件下

+15V路輸出電源紋波

由圖7可得，施加紋波抑制電路后，電源在空載與帶載情況下，電源紋波均滿足峰峰值小于5mv的要求。由圖中也可以看出，空載時電源開關(guān)頻率由帶載時的58KHz降為1KHz，以實現(xiàn)輕載時的效率最大化。

5 總結(jié)

通過PFM調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用與低損耗紋波抑制電路的采用，新研電源模塊實現(xiàn)了效率的大幅提升與散熱性能的大幅改善;同時，低壓差線性電源紋波抑制電路的引入，在付出較小代價的情況下，實現(xiàn)了開關(guān)電源紋波的抑制功能，同時，針對低壓差線性電源紋波抑制電路的穩(wěn)定性問題，使用Matlab/Simulink函數(shù)進(jìn)行了仿真，確保調(diào)整參數(shù)后的反饋環(huán)路穩(wěn)定性良好。最后，通過實際測試，驗證了改進(jìn)設(shè)計的有效性。