開關電源紋波的抑制方法探討及措施
開關電源因具有效率高，輸出電壓可調范圍大、損耗小、體積小、重量輕而得到了廣泛的應用。但開關電源體積小，輸出直流電壓的紋波含量比同功率線性電源大，如何降低紋波含量成為開關電源應用中的一個關鍵技術難點，講述開關電源紋波產生的原因和通常的解決方法，詳細介紹了開關電源設計(ji)中降低(di)輸出紋波所采用的一系(xi)列措(cuo)施，并(bing)對其有效性進行(xing)了(le)理論分析。
一、開關電源的概念
一般，高頻開關整流AC-DC和DC-DC變換器被稱作開關電源。由于其高工作頻率，帶來了設備的體積和重量的減小。由于開關電源的變換效率高，能量損耗減少，降低了電源環境溫度，改善了工作人員的環境。工作性能的提高。相對于相控電源來說，開關電源不僅(jin)節(jie)省能源，也節(jie)省了材料和(he)體積。
開關電源產品主要應用在有計算機、通信辦公設備、控制設備、電子儀器、電視、攝像機、電子游戲機等產品。在電腦、電子儀器和通信系統中應用極為廣泛的開關電源，在近(jin)半個世紀(ji)的(de)發展過程中，因(yin)具有(you)輕、小、高(gao)效等優(you)點而逐漸取代傳統的(de)線(xian)性電(dian)(dian)(dian)源和相控(kong)電(dian)(dian)(dian)源，成為電(dian)(dian)(dian)子電(dian)(dian)(dian)源中的(de)主流產(chan)品。
開關電源發(fa)展中一個永(yong)恒(heng)的主題是實(shi)現電(dian)(dian)源的高(gao)頻率(lv)、高(gao)效率(lv)、小(xiao)(xiao)體(ti)積(ji)、低成(cheng)本(ben)(ben)。高(gao)工作頻率(lv)，可以提(ti)高(gao)動態(tai)響應，也是減少(shao)體(ti)積(ji)和重(zhong)量(liang)的重(zhong)要途徑；高(gao)效率(lv)，減少(shao)熱損耗，實(shi)現高(gao)功率(lv)密度；小(xiao)(xiao)體(ti)積(ji)，減少(shao)變壓器(qi)，電(dian)(dian)感和電(dian)(dian)容的體(ti)積(ji)，同時還要兼顧(gu)高(gao)可靠性和低成(cheng)本(ben)(ben)。
二、開關電源紋波產生和解決方案
1、紋波產生的理念
常規AC/DC，關電源的工作模式是把電網電壓全波整流變為直流電，經高頻開關變換由開關變壓器隔離并升、降壓，經高頻二極管整流濾波后以直流電輸出。開關電源輸出(chu)紋波(bo)主要來源于(yu)五(wu)個方(fang)面(mian)：輸入低頻紋波(bo)、高頻紋波(bo)、寄生參數引起的共模紋波(bo)噪聲、功率器件開關過程中產生的超高頻諧(xie)振噪聲和閉環調節控制(zhi)引起的紋波(bo)噪聲。
（1）低頻紋波
低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關。由于開關電源體積的限(xian)制，電(dian)(dian)解電(dian)(dian)容的容量(liang)不(bu)可能無限(xian)制地增加(jia)，導致(zhi)輸出低(di)頻紋波的殘留，該輸出紋波頻率(lv)隨整流電(dian)(dian)路方(fang)式的不(bu)同(tong)而不(bu)同(tong)。
普通的開關電源由AC / DC和DC / DC兩部分組成。AC / DC的基本結構為整流濾波電路，它輸出的直流電壓中含有交流低頻紋波，其頻率為輸入交流電源頻率的二倍，幅值與電源輸出功率及濾波電容容量有關，一般控制在10%以內。該交流紋波經DC/DC變換器衰減后，在開關電源輸出端表現為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統的增益決定。例如：對普通24V電源來說，電壓型控制DC/DC變換器的紋波抑制比一般為45～50dB，其輸出端的低頻交流紋波有效值為60～120mV。電流型控制DC / DC變換器的紋波抑制比稍有提高，但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實現開關電源的低紋(wen)波輸出，則必(bi)須對低頻電源紋(wen)波采取(qu)濾波措施(shi)。可采用前級(ji)預穩壓和增大DC / DC變(bian)換器閉(bi)環增益來消除。
（2）高頻紋波
高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關變換電路，在電路中，通過功率器件對輸入直流電壓進行高頻開關變換而后整流濾波再實現穩壓輸出的，在其輸出端含有與開關工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對外電路的影響大小主要和開關電源的變換頻(pin)率(lv)、輸出(chu)濾(lv)(lv)波(bo)(bo)器的結構和參數(shu)有關(guan)，設計中盡量提(ti)高(gao)功率(lv)變換器的工作頻(pin)率(lv)，可(ke)以減(jian)少對高(gao)頻(pin)開關(guan)紋波(bo)(bo)的濾(lv)(lv)波(bo)(bo)要求。
（3）共模紋波噪聲
由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導線存在寄生電感，因此當矩形波電壓作用于功率器件時，開關電源的(de)輸出端(duan)因(yin)此會產生共模(mo)紋波嗓聲。減(jian)小與(yu)控制功率(lv)器件、變壓器與(yu)機殼地之間的(de)寄(ji)生電容(rong)，并在輸出側(ce)加(jia)共模(mo)抑制電感及(ji)電容(rong)，可減(jian)小輸出的(de)共模(mo)紋波噪(zao)聲。
（4）超高頻諧振(zhen)噪(zao)聲
超高頻諧(xie)振噪聲主要(yao)來源于高頻整流二極(ji)(ji)(ji)管(guan)反向恢復時二極(ji)(ji)(ji)管(guan)結(jie)電容(rong)、功率(lv)器(qi)件開關時功率(lv)器(qi)件結(jie)電容(rong)與線路(lu)寄(ji)生電感的(de)諧(xie)振，頻率(lv)一般(ban)為(wei)1～10MHz，通過選用軟恢復特性二極(ji)(ji)(ji)管(guan)、結(jie)電容(rong)小(xiao)的(de)開關管(guan)和減少布(bu)線長度(du)等(deng)措施可(ke)以減少超高頻諧(xie)振噪聲。
（5）閉環調(diao)節控制引起的紋波噪聲(sheng)
開關電源都需對輸出電壓(ya)進行閉(bi)環控制，調節(jie)器(qi)(qi)參數設計(ji)的(de)不適當也會引(yin)起紋(wen)波。當輸出端波動時通過反(fan)饋網絡進入調節(jie)器(qi)(qi)回(hui)路，可能導致調節(jie)器(qi)(qi)的(de)自激振蕩，引(yin)起附加紋(wen)波。此紋(wen)波電壓(ya)一(yi)般沒(mei)有(you)固定(ding)的(de)頻率。
2、抑制紋(wen)波(bo)的普(pu)通(tong)措施和方法
（1）低頻(pin)紋(wen)波的抑制
低(di)頻紋波抑制的(de)幾種常見的(de)方法：
a、加大輸出低頻濾波的(de)電(dian)感(gan)，電(dian)容參數，使低頻紋波降低到所需的(de)指標。
b、采用前饋(kui)控制方法，降低(di)低(di)頻紋波分量(liang)。
（2）高頻(pin)紋波的抑(yi)制
高(gao)頻(pin)紋(wen)波(bo)抑(yi)制的目的是給高(gao)頻(pin)紋(wen)波(bo)提供通路，常(chang)見的方(fang)法有(you)以下(xia)幾種：
a、提高開關電源工(gong)作頻(pin)率，以提高高頻(pin)紋波(bo)頻(pin)率，有利于抑制輸(shu)出高頻(pin)紋波(bo)。
b、加大輸出高頻濾波(bo)器(qi)，可以(yi)抑(yi)制輸出高頻紋波(bo)。
c、采用多級濾波。
（3）共模紋波(bo)噪聲的抑制
減小輸出(chu)共模紋波(bo)嗓聲的常見方法：
a.輸出采用專門設計的EMI濾波器(qi)
b.降低開關毛刺幅(fu)度
（4）閉環(huan)調(diao)節器(qi)參數不(bu)適當(dang)引起的紋波(bo)抑制(zhi)
在(zai)開關直流電源中，往(wang)往(wang)因(yin)調節(jie)器(qi)參數選擇不適(shi)當會(hui)引起輸出紋(wen)波的增大，這部分紋(wen)波可通過以下(xia)方法(fa)進行抑制(zhi)。
a、在調(diao)節(jie)器(qi)輸出增加對地的(de)補(bu)償網絡，調(diao)節(jie)器(qi)的(de)補(bu)償可抑制(zhi)調(diao)節(jie)器(qi)自激(ji)引起(qi)的(de)紋(wen)波增大(da)。
b、合理選(xuan)擇閉環(huan)調(diao)節(jie)器(qi)的(de)(de)開環(huan)放(fang)大倍數(shu)(shu)和閉環(huan)調(diao)節(jie)器(qi)的(de)(de)參(can)數(shu)(shu)，開環(huan)放(fang)大倍數(shu)(shu)過(guo)大有時會引起調(diao)節(jie)器(qi)的(de)(de)振蕩或自激，使(shi)輸(shu)出紋彼含(han)量增加(jia)，過(guo)小的(de)(de)開環(huan)放(fang)大倍數(shu)(shu)使(shi)輸(shu)出電壓穩(wen)定性變差(cha)及紋波含(han)量增加(jia)，所以調(diao)節(jie)器(qi)的(de)(de)開環(huan)放(fang)大倍數(shu)(shu)及閉環(huan)調(diao)節(jie)器(qi)的(de)(de)參(can)數(shu)(shu)要(yao)合理選(xuan)取(qu)，調(diao)試中(zhong)要(yao)根據負載狀況進行調(diao)節(jie)。
c、在反饋(kui)通(tong)道中(zhong)不增加純滯(zhi)后(hou)濾波環(huan)節(jie)(jie)，使(shi)延(yan)時(shi)滯(zhi)后(hou)降到(dao)最小，以增加閉(bi)環(huan)調節(jie)(jie)的(de)快速性(xing)和及時(shi)性(xing)，對抑(yi)制輸出電壓紋波是(shi)有益的(de)。
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