开关电源CLC纹波抑制电路特性分析_图文

1、研 究 与 设 计 收稿日期:2011-02-12基金项目:国家杰出青年科学基金 (41025015 ; 地质灾害防治 与地质环境保护国家重点实验室基金 (SKLGP2009Z007 ; 核废物 与环境安全国防重点学科实验室开放基金 (10ZXNK05 ; 成都市科 技攻关计划 (10GGYB323GX-023作者简介:成毅 (1974 , 男, 湖南省人, 讲师, 主要研究方向为 核测控技术与仪器 。1128小功率开关电源 CLC 纹波抑制电路特性分析成毅 1, 庹先国 1,2, 范磊磊 2, 刘静 2, 王洪辉 2(1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059; 2

2、. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059摘要:在便携式仪器中通常使用小功率开关电源为系统供电, 电源的纹波噪声直接影响系统的性能 。 采用 MAX606芯片设计了 12V 的开关电源, 以 型 CLC 低通滤波器对其输出纹波进行抑制, 通过改变电解电容的类型 (贴片铝电 解 、 直插铝电解 、 贴片钽电解 、 电容值大小 、 电感值大小以及负载, 分析了 CLC 电路纹波抑制特性 。 结果表明, 小功率开关电源 CLC 滤波电路中,电感对纹波抑制作用较大, 电容作用较小; 贴片铝电解效果最好, 钽电解次之, 直插铝电解 效果最差; 应选用 mH 级电感和 100

3、F 以上电容 。 关键词:开关电源; 纹波; 型; CLC 中图分类号:TM 564文献标识码:A 文章编号:1002-087X(201109-1128-03Characteristics of ripple attenuates with low power SMPS based onCLC circuitCHENG Yi 1, TUO Xian-guo 1,2, FAN Lei-lei 2, LIU Jing 2, WANG Hong-hui 2(1.Collageof Nuclear Technology and Automation Engineeing, Chengdu Univer

4、sity of Technology, Chengdu Sichuan 610059, China;2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu Sichuan 610059, ChinaAbstract:Thelow power switching power supply is commonly used for the system energy supply in portable instruments.And the ripple noise of powe

5、r supply directly affected the system performance. A 12V switching power supply based on MAX606was designed with a -type CLC low-pass filter to attenuate the output ripple. By changing the type of electrolytic capacitors (SMDaluminum electrolytic, line electrolytic, SMD tantalum electrolytic, the si

6、ze of capacitor, inductance and load resistance, the ripple attenuates of CLC circuit was illustrated. The results show that in the CLC circuit of low power switching power supply, the inductance plays an important role in ripple rejection, and capacitor takes the second; the effect of SMD aluminum

7、electrolytic is the best, line electrolytic is the second and SMD tantalum electrolytic is the worst; the capacitance above 100F and mH inductance level should be used. Key words:SMPS ; ripple ; -type ;CLC 在便携式仪器中, 只能使用电池为系统供电 。 通常电池电 压比较低, 系统中经常需要使用小功率开关电源电路对低电压 进行电压变换, 满足系统中不同功能模块的需求 。 然而, 使用开 关电源

8、必将引入纹波噪声, 如何降低该纹波噪声成为系统设计 的一个重要问题 。 开关电源的纹波抑制器通常使用 C 型 、 LC 型 、 CLC 型无源滤波器 。 型三阶低通 CLC 滤波器由于其结构 简单, 体积小, 性能高等优点得到了广泛的应用 。 根据开关电源 的公式, 输出纹波和输出电容值成反比, 电感内电流波动大小 和电感值成反比 1。 理论上使用标称值大的电容 、 电感可以得到 较好的纹波抑制效果 。 实际应用中,CLC 电路中不同类型的电 解电容及不同标称值的电容 、 电感 2-3对电源纹波的抑制效果究竟有什么样的影响尚无相关文章指出 。 因此, 有必要对 CLC 滤 波电路进行实际测试研

9、究 。本文采用 MAX606设计了 12V 的小功率开关电源, 使用 CLC 滤波器对电源输出纹波进行抑制 。 通过使用不同类型电解 电容及不同标称值的电容 、 电感, 研究了 CLC 滤波器的特性, 得到了降低小功率开关电源纹波的简单方法 。1电路设计MAX606是一款小型 CMOS 升压式 DC/DC转换器, 其输 入范围 3.05.5V ,输出固定 5V/12V 或可调输出范围 V in 12.5V , 精度为 ±4%。 MAX606的开关频率高达 1MHz , 在 5V 输出时可提供高达 180mA 的电流,广泛应用于 PCMCIA 卡 、 存储卡 、 数码相机和手持式仪器中

10、 。设计电路如图 1所示,测试时输入端使用 3.6V 的锂电池 进行供电, 使用 型 CLC 低通滤波电路 4对 MAX606输出端 进行纹波滤波 。图 1虚线框内为 CLC 滤波电路, 通过更改 C in 、 C out 、 L 1的相 关参数, 研究其对输出纹波的抑制特性 。 研 究 与 设 计11292型 CLC 滤波特性分析考虑到电源输出阻抗,将图 1虚线框中所示 CLC 电路的等效电路用图 2表示, 为了便于分析加入了负载 R L , R S 为电源 输出阻抗 。图 2中 U i 为开关电源的输出端, U 0为输出到负载两端的 电压 。2.1CLC 滤波电路理论分析电源信号输入 C

11、1两端之后, 负载 R L 上的直流电压为:(R ESR 为电感 L 1的等效串联电阻 (1式 (1 表明加入电感 L 将使 U L 变小, 影响电源的负载调整 率 。 若要使输出电压稳定, 应选用等效串联电阻小的电感器件, 电感器的等效串联电阻由其绕制导线的直流电阻决定 。对于开关电源输出而言,其交流信号即为电源纹波信号 。 根据 CLC 滤波电路传递函数:(2从式 (2 可以看出, 随频率增大, 纹波衰减越大; C in 、 C out 越 大, 纹波衰减越大, 因此, 型 CLC 滤波器对电源纹波有一定的抑制作用 。 但是, 式 (2 是在 L 、 C 均为理想情况下得出的, 并 未考虑

12、实际电感电容的材料及它们的寄生参数 。2.2实际测试分析测试数据由泰克示波器 TDS2022B (200MHz 、图 3所示为空载时 MAX606输出电压纹波波形 (U 0 12V , 即 开 关 纹 波 , 其 频 率 为 1.18kHz , 波 形 稳 定 , V pp =240mV 。 图 4所示为负载 120时输出电压的纹波波形, 从图 4中可以看出加入负载后电源纹波变得比较复杂,其最高 V pp 达到 1.2V 。 为系统供电时, 该纹波将会对系统造成严重危害, 必须对此纹波进行抑制 。的变化在图 1的 CLC 滤波电路中,C in 、 C out 分别使用三种常见类 型的电解电容

13、(容值为 220F/16V , 电感使用环形电感 (电感值 120H , 依次改变负载大小, 使用交流毫伏表测量其纹波 电压有效值, 得到如图 5所示的曲线图 。从图 5曲线可以看出, 随负载阻值逐渐增大, 电源纹波有 效值先急剧增大, 后逐渐减小, 在 160时三种类型电解电容 输出纹波均很低, 满足一般系统的电源纹波要求 。 从图 5还可 以看出整体水平上,普通直插式铝电解电容纹波抑制能力最 差, 贴片钽电解次之, 贴片铝电解滤波效果最佳 。 当负载阻值 小于 500时,贴片铝电解滤波效果最佳 。 当负载阻值大于 500时, 钽电解的滤波效果是最佳的 。图 6所示为负载是 300时不同类型

14、电解电容下所测量 到的纹波波形, 可以明显看出使用贴片铝电解纹波最小, 使用 普通铝电解纹波较大且纹波具有毛刺, 使用贴片钽电解纹波有 所减小且毛刺也有很大程度的改善 。图 7所示为负载 120时不同类型电解电容下所测量得 到的纹波波形 。 对比图 4可以看出, 经过 型 CLC 滤波后, 纹 波已被抑制到很小范围 。 从图 7可以看出, 此时钽电解电容的研 究 与设计 1130纹波抑制能力最好, 纹波波形中毛刺幅度也变小 。电容固定 (贴片钽电解 220F/16V , 改变图 1中 CLC 滤 波电路的电感值大小, 测量不同负载时纹波的有效值, 得到如 图 8所示的曲线图, 其中电感使用的是

15、弓形电感 。从图 8中可以看出, 随电感值增大, 电源纹波减小, 对于 mH 级电感消除纹波效果非常明显 。 采用 1mH 电感时, 纹波电 压有效值仅 3mV , 采用 4.7mH 时, 纹波电压有效值可降低至 1.8mV 。图 9所示为负载为 300时不同电感值下纹波波形图, 从 图 9中可以看出, 随电感值增大, 纹波被抑制程度越大, 输出纹 波越小 。 当电感值增大到 1mH 时, 纹波效果最好, 且输出基本 上没有毛刺 。图 10所示为在不同电容值 (贴片钽电解 下, 改变电感和 负载并测量负载上的电源纹波有效值所得出的曲线图 。从图 10中可以看出, 随电感 、 负载的变化纹波抑制

16、趋势大 体相同, 可以看出电容的增大对纹波的抑制较小, 且纹波有效 值并不随电容值的增大而得到抑制, 电感值的增大对电源纹波 的抑制起决定性的作用 。 但是, 选择电容值时宜选取 100F 以 上的电容, 才可以得到较好的纹波抑制效果 。3总结型 CLC 滤波电路在小功率开关电源中能够起到较好的 纹波抑制效果, 通过改变电解电容的类型, 调整电容值和电感 值的大小, 能够显著提高抑制纹波性能 。 对 CLC 滤波电路进行 的特性分析能够为设计高质量小功率开关电源提供参考 。参考文献:1姚晓平 . 电源纹波的产生 、 测量和抑制 J.电源世界, 2009(11:40-43.2杨玉岗, 许平静 .EMI 滤波器高频寄生参数分析 J.电源技术, 2010(9:953-955.3张桐, 崔超群 . 电磁兼容性设计在电源系统设计中的应用 J.电源 技