直流开关电源纹波分析_图文

1、娥帑黼邋蔑瞧褥穗m一。I_|“ij强露套董m蠹i蒸&mm臻。=11j11,x*誊。t缘:一;巷r-一叠;、1I I_iI鞠哟隼直流开关电源纹波分析陶生桂刘成永胡兵UZSA摘要对城市轨道交通通信设备的开关直流电源中 产生鼓波的多种原目进行了定量分析.提出了相应的押制 措施,并且在实验中验证了其方法的有效性和实用性。关键词城市轨道变通,开关电源,纹渡,滤波轨道交通中的一个重要的技术设备是控制机 构及信号设备供电电源。它可以利用轨道牵引逆 变系统的工频交流电经整流或直流电网经高频变 换,然后通过开关控制,向负载提供优质、稳定直流 电能。当其应用在通信设备时,对纹波有一定要 求。本文试从分析纹波产生的

2、不同机理,提出相应 的抑制措施,并通过仿真和试验来验证。l产生纹波的机理图1中为常用的开关电源的简化电路图。从图l中可看出,输出纹波主要包括低频(整流滤波 中的输入交流电源噪声、高频(开关管及二极管 噪声和尖刺及控制环节引起的噪声,还有一些共 模噪声。图1电网供电开关电源(sMPs简化电路图(1低频纹波开关电源包括AC/Dc和Dc/Dc部分。其中整陶生桂:济大学电。t L程系.教授,上海20033l44流部分一般通过整流桥整流,再经过滤波平滑电容 滤波而得。由于通常电源体积受限,平滑电容不可 能无限大,所以导致低频纹波的存在。如假定整流 桥输出负载电流,。,负载电压K。,整流桥输入交流 电压幅

3、值k及其输入交流电压频率,则其输出的 纹波电压如表1所示。表1整流纹波电压从表l可见,若H与,。乘积一定时(输出恒功 率,提高输入电压可减少纹波。而当整流级的低 频交流输入电压纹披经过直流变换电路时,引起第 二级的纹波。一般的输入电压和输出电压纹波频率 (几十Hz较开关频率(几十甚至上几百kHz低 得多,所以通常作低频纹波分析时,对变换器的高 频开关过程取了平均处理。即输入、输出瞬时功率 是经平均处理后随低频输入电压而缓慢波动的瞬 时值,而不是高频开关过程的瞬时值。这样,采用功 率匹配法或等效电流源法.来计算纹波电压,一般 表示为:U:?毛sin2f从式(1中可以看出,纹波频率为输入频率的 两

4、倍,其幅值正比于变换器的输出电流,反比于输 入电压频率和平滑电容的大小。(2高频纹波开关电源是依靠电子功率器件对输入的整流 直流电压进行高频PwM(脉宽调制斩波后再整 流滤波实现稳压输出的。通常在功率变换回路中,一盈一一, 一墅 眵曩錾曩黔臻i、融囊骥臻臻蠛颡糍鬟嚣魏麟蠢落鬃黧蒸慧嚣黥鞭囊麓鬻戮瓣黧撼蘸露;壤溶豁强输出整流电容c,有限,实际电容也有损耗,流进电 容的电流屯是脉动的,使K脉动,形成纹波电压。 假定D为占空比、为储能电感、c为滤波电容Z 为开关频率,则常用的4种基本类型变换器的输出 纹波电压如表2所示。表2高频纹波电压由表2可知,通常高频的输出噪声与斩波频率 同频,大小与开关电源的

5、频率和输出滤波器有关。 电源的开关频率越高,电感和电容值越大,则输出 纹波越小。此外,由于开关二极管的特性引起尖刺纹波。 通常的输出滤波电路如图2中的输出部分(此图中 考虑到器件和电路的分布参数。图2中,为续流 二极管的连线电感;c,和R。为扼流线圈的分布电 容和等效电阻;,。和R。、R。为电容器的等效电感 和等效电阻。图2输出电路的等效图由于二极管中电荷贮存效应引起的反向恢复 问题,电流在,、R.、,。和屁。反向流动。它不仅带 来尖刺纹波,还增加开关管瞬间损耗,降低效率。 此外,在采用高频变压器的开关电源中,变压 器原边的漏感也会产生高频干扰。(3控制环节引起的纹波在常用的开关电源中,通常采

6、用电压环与电流 环的双环控制,再加上一些保护措施的控制,使其 控制线路复杂,参数匹配要求增加。参数配置不当, 经常会产生振荡。其主要原因是反馈信号与调制信 号问存在的相位差(相位偏移是由于输出滤波构 成了一个移相环节,调制方向不能与输出控制量 的变化方向相吻合。主要后果是引起功率开关管失控,使输出波形失真,增加损耗。这种纹波一般幅值 不是很大,也没有固定频率。(4共模噪声在开关电源中,功率器件开关管和输出整流管 都会发热,一般都会加装散热器底板,但这样就形 成一个寄生电容。在变压器原边与副边之间也存在 寄生电容。两者构成一个共模通道。这样,当将方波 施加在功率器件时,都会在开关电源输出端产生共

7、 模噪声。它的大小与输入电压幅值和寄生电容及导 线寄生电感大小有关。2抑制纹波的措施(1低频纹波的抑制从表1中可以看出,低频的抑制方法主要可以 从以下两方面考虑:加平滑电容的容量值。这样一般会增加整 个产品的总成本和体积。简单办法是利用晶体管的 放大特性,即构成有源滤波器。它是通过合适连接, 将电容接在晶体管基极上,经过放大,可以等效成 一个较大的电容。增加低频滤波器。将它加在高频开关整流 电压和输出之间,可滤去高频开关脉宽调制引起的 差模滤波和整流器的低频滤波。般有两种滤波结 构,如图3。图3中(1为L形滤波,(2为w形滤波,建议 采用第二种结构。两级的滤波结构不仅可达到要 求,还可适当降低

8、对两个电解电容c.、c。的需求, 这在小功率开关电源体积受限时尤为有用。(2高频纹波的抑制开关管的尖峰电压。在常用的开关管上开 关频率达到几百kHz,其产生的电压尖峰可通过在 开关管的集一射极间并接电阻、电容(Rc或电阻、 电容、二极管(RCD吸收阿络。电容值越大,吸收 效果越好。电阻的选择与功率有关。整流二极管尖刺纹波。从二极管通用等效 电路可以看到,为解决二极管的反向恢复问题,最 基本的方法是采用恢复时间小的快恢管或肖特基 管。但有时还不能满足需求。根据二极管反向恢 复机能,为有效地抑制尖刺纹波。在电路中还可以 采取如下的不同措施:(i在开关二极管两端关联Rc阻尼网络。这 是常用抑制振荡方

9、法,可强制限制开关二极管反向 45s+娥穗瓠遣惑斑褥瞧一一一-一-誊糍氍曩曩糍蕊辫糍臻鬻一氍i*i一搿融净二、曩_I:I_!J_:j|_I_2B,毒恢复电流的变化速率(di/m及反向恢复时间。因 在二极管两端。为要求Rc网络等效电感要小,Rc网络可直接并图3低频滤波器的电路图(ii串联非线性电感。见图4。其中L.采用非 线性饱和电感,正常状态时,它饱和不起作用;关断 时,L.。限制“的下降速度,电感。产生反电动势, 使二极管维持正偏并逐步向零偏压过渡,接着转向 反向截止状态。这里有两个问题选择时要考虑,一 是电感不能太人,否则影响二极管的导通时间,且 还会影响效率;二是电感磁芯的选择,要选易饱

10、和 的、导磁率“值较大的铁氧体或非晶合金。图4二极管串联的非线性电感增大负载网络电阻值。此方法目的是减少 的峰值。这一点上,有些自激式串联型开关电容 在复合晶体管的基极驱动电阻上并电容,能减少输 出纹波。防高频变压器的高频纹波。在高频变压器 中,尖峰是由漏感引起,所以制作时采用紧密绕制 来减少漏感。通常,有时在绕电感时,为减少电流 的集肤效应和邻近效应,采用铜带绕制。但这样漏 感大,若绕的不紧,还容易发热,影响输出特性。一 个解决办法是:选择有效面积4。大的磁芯。可适当 减少绕的匝数;还町用窄铜带上下绕制,有利于减 少漏感。或者在变压器的原边增加一个尖峰电压 46的吸收网络,一般采用RcD吸收

11、回路(见图5。 布线的要求。在开关电源印制PcB(印刷 电路板板中,不仅要考虑隔离和绝缘问题,还要 考虑高频耦台问题,高频线不要过多平行走线,引 线尽可能的短,强弱电要分开走线。使用地线时, 可将屏蔽层和电源外包装都接地。图5高频变雎器用于抑制高频的RcD网络(3抑制控制环节引起的纹波控制环节引起纹波的抑制主要在实验中调试。 在开始设计时,尽量减少滞后环节与滞后参数.即 减少反馈的延迟时间;合理选取反馈速度与反馈的 位置,调整放大倍数及反馈参数并选择适当的Lc 滤波器。3试验波形及其分析本试验中,所用的PwM控制芯片为u(:3842或3843,MOs管的脉冲周期为lo us,输入电雎为 工频交

12、流电220V,输出电压为19V。利用L述纹 波抑制方法使得纹波电压幅值仅为O.028V,纹波 系数为o.147%,完全达到开关电源的要求,证明 了上述方法的正确有效性及可实用性。图6为输 出电压纹波的实验波形;图7为开关管uds实验波 里纂净潮。;_,形。4结语誊I;i%曩孤一m11I111。“i曩+自*鞋_jIil,;一一一m_*一曩.:_一-一舞曩i_蠢撩瀑镰!狳l(1率丈刘影响开关电源输出纹波的各种因 素进行丁,系统分析,认为开关电源的输出纹波由低 频交流噪声、高频开关噪声、控制环节噪声和共模图6输出电压纹波实验波形噪声组成,在此基础上对各个环节噪声提出J相应的抑制措施,使开关电源输出纹

13、波降为28一,这样便可进步扩大开关电源的应用范创。(2软开关技术作为抑制纹波和减少功耗的 一种有效方法,越来越受到人们的重视,若在本实 验中引人软开关技术将会使纹波进一步降低。参考文献l2陆治国电源的仿真技术北京:科学出版社,2001图7开关管ud5实验波形Analysis of the砌ppleinUrb粕Ma鹞Tr粕sitDCS讲tchjngP0werTno Sknggut【池Ck“g,o“g Hu B汛g(Tbngii univ,Electdcal En舀nee五“g D6pt.,shan出面200331Abstract Therearemultipleintrinsiccausesof

14、theppk e“gende“g in t|e DC switching power.Thmughsimulation andexp商mentthe authors make8quan廿t“ve analysis of the dpple,reason its m“gc,andsuggestcorre3pondi“g restraini“g measure,which,the authors holdtobe emeiem and pracical if put inuse.Keywordsurban mass transit,gwitchi“g power,ripple,6lter(收稿日期

15、:2002一101547 直流开关电源纹波分析作者:陶生桂 , 刘成永 , 胡兵 作者单位:同济大学电气工程系,教授,上海,200331刊名:城市轨道交通研究 英文刊名:URBAN MASS TRANSIT年,卷(期:2003,6(4被引用次数:7次参考文献(2条1. 张古松 开关电源原理与设计 20022. 陆治国 电源的仿真技术 2001本文读者也读过(10条1. 张国安 . 祁承超 . 张显才 . ZHANG Guo-an. QI Cheng-chao. ZHANG Xian-cai 瞬时并联补偿消除开关电源高频纹波的 研究 期刊论文-电力电子技术 2008,42(62. 李宏 浅谈开关

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