升壓型開關電源紋波抑制方法研究

許友平 吳驥志 章曉春 田金強

【摘 要】開關電源是電子設備的電壓轉換裝置，由于其具備轉換效率高、體積小、重量輕等特點，因此在航空機載設備等領域有著廣泛應用。電源輸出紋波大小是衡量電源輸出品質的關鍵指標，本文介紹了升壓型開關電源輸出紋波的主要來源和具體紋波抑制措施。

【關鍵詞】升壓型開關電源；紋波抑制

中圖分類號： TN86 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）24-0025-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.012

【Abstract】Switching Power Supply （SPS） is the voltage converter of electronic equipment and has been widely used in airborne equipment and other areas for its advantages such as high efficiency， small size and light weight. Since the output Ripple voltage is a key index to measure the output quality of power， the main source of output ripple voltage of Boost switching power supply and the methods of ripple rejection are studied in this paper.

【Key words】Boost switching power supply； Ripple rejection

0 引言

開關電源是利用現在電力電子技術開發的一種電壓轉換模塊，相比傳統的線性電源，開關電源具有轉換效率高、體積小、重量輕等優勢，在醫療機構、航空航天、科學研究等方面有著越來越廣泛的應用。

開關電源一般通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM），控制電子開關器件（如晶體管、場效應管、可控硅閘流管等）的“接通”和“關斷”，進而對輸入的直流電壓進行脈沖調制，實現AC/DC或DC/DC電壓變換。紋波是指疊加在直流穩定量上的交流分量，由于紋波可能會在用電設備上產生諧波，進而對用電設備產生較多危害，因此抑制開關電源的紋波是保證開關電源輸出品質的關鍵工作，本文在研究國內外相關技術的基礎上，闡述升壓開關電源紋波產生的原因和抑制方法。

1 升壓型開關電源原理

升壓型開關電源的電路圖如圖1所示，當脈沖為高時，電子開關Q閉合，輸入電壓Vin經開關Q向電感L充電，電能被轉化為磁場能進行存儲，此時二極管D處于反向截止狀態，因此電容C只能向負載RL供電，當脈沖為低時，開關Q斷開，電感L周圍的磁場減弱，同時在電感上感應出左負右正的反向電壓Vk，此時二極管D處于正向導通狀態，電感存儲的磁場能又轉化為電能，此時輸出電壓Vout為Vin與Vk之和，根據能量守恒原理，達到穩態時電感在開關閉合Ton期間積蓄的能量等于在開關斷開Toff期間釋放的能量，因此穩態時的輸出電壓Vout=（1+Ton/Toff）=Vin>Vin。

由于升壓型開關電源的工作原理，使得其輸出電壓不可避免存在紋波，為降低輸出紋波對后端負載的影響，需要對紋波進行抑制，首先分析升壓型開關電源紋波產生的原因。

2 紋波產生原因

升壓型開關電源產生的紋波與電源使用的電子開關特性、輸入直流電壓的紋波品質以及二極管導通時的串聯諧振等因素有關。

對于開關電源本身，由于內部的電子開關器件不斷“接通”與“關斷”，所以電感中的電流會在輸出電流的有效值上下進行波動，這種工作方式決定了開關電源的輸出必然存在紋波；此外，電子開關器件“接通”與“關斷”時存在一定的上升時間和下降時間，輸出電壓中還包含一部分由此產生的紋波。

升壓型開關電源的輸入直流電壓通常是通過對交流電整流穩壓得來，其本身即帶有一定程度的紋波分量，因此輸入直流電壓的紋波品質也會影響開關電源的輸出紋波[1]；當二極管恢復正向導通后，對于輸入直流電壓中頻率等于回路諧振頻率的紋波分量，還有可能會被放大，這取決于輸出電壓點對地的阻抗強度與整個回路的阻抗強度比，若強度比大于1，則會對輸入直流的部分紋波分量產生放大。

3 紋波抑制方法

根據紋波產生的不同原因，可以采取不同的紋波抑制措施。考慮到電感中的電流變化越大，那么產生的紋波就越大，因此為抑制由于電流波動引起的輸出紋波，可以通過減小電流變化的方法來降低紋波。對于電感而言，電感的大小反映的是對電流變化的抑制能力，因此可以通過增大電感大小抑制紋波；對于輸出電容而言，電容越大，電感中的電流變化越小，因此同樣可以通過增大電容大小抑制紋波[2]。

對于由于諧振產生的紋波放大問題，可以通過調整輸出電壓點對地的阻抗強度與整個回路的阻抗強度比，使其小于1，來抑制對輸入紋波的放大作用。通常，阻抗強度比與回路電阻呈反比，與電感值大小成正比，因此增大回路電阻或者減小電感值大小均可以降低開關電源對輸入紋波的增益，從而限制二極管導通時的輸出紋波大小。

除了以上針對特定原因采取的紋波抑制方法以外，還可以通過在開關電源輸出端設置二級濾波電路，從整體上控制輸出的紋波水平。根據需要濾除的紋波頻率，選擇合適的電容和電阻構成濾波電路，通常會有比較好的效果，不過這種方法需要經過嚴謹的計算得到紋波的頻率特性，從而選出準確的電容值和電阻值，如果存在不匹配，還有可能會引入新的紋波，反而增大輸出紋波[3]。

針對大電流、大功率的升壓型開關電源，還可以采取多路電源疊加降低輸出紋波，該方法使用雙路開關電源，通過控制電路控制雙路電源的調制脈沖始終保持180°相位差，然后對電路輸出進行疊加，從而抵消一定的紋波分量，使得輸出紋波得到有效地抑制[3]，但是該方法需要用到雙路電源，成本較高，而且需要設計專門的控制電路，在安裝空間較小和重量限制較高的場合不宜使用。

在具體設計中，往往結合使用上述紋波抑制方法，兼顧不同的紋波來源，確定電路中的元器件參數，達到最終滿意的效果。

4 總結

本文研究了升壓型開關電源的原理，對升壓型開關電路輸出的紋波來源進行了分析，針對不同的紋波來源對紋波抑制的方法進行研究，在實際應用中應根據設計要求、周期和成本，選擇合適的紋波抑制方法，保證電源的輸出紋波滿足負載設備的要求。

【參考文獻】

[1]吳凌云，李瑞正.關于開關電源紋波抑制的技術要求及措施[J].數字技術與應用，2011.

[2]張兵，白雪.抑制開關電源紋波的研究[J].黑龍江科技信息，2011.

[3]方宇杰，蘇秉華，等.開關電源紋波抑制研究[J].現代電子技術，2012.