開關電源輸出紋波很大是什麼原因及解決方法

　　近年來，開關電源以其體積小，重量輕，效率高等優點，在工程領域、醫療機構、科學研究等方面有著越來越廣泛的應用。本文著重解決一款能輸出10 A電流12V電壓的特殊恆流源的紋波抑制問題，專門用於大功率的半導體雷射器驅動。該雷射器需求高穩定的光功率輸出，雷射器輸出光功率的穩定性是一個主要參數，半導體雷射器的光功率穩定性主要表現在輸入電流的穩定性，輸入電流的紋波越小光功率穩定性越好。目前，解決開關電源紋波的方法有若干種，各有其優缺點，由於輸出電流是10 A的大電流，一般的方法不能適用。

　　紋波是工頻引起的，減小紋波，作用很大的方法：

　　1.，輸出用π型電路，就是一個電容，一個電感，再一個電容的方式。

　　2。輸出電容一定要用高頻低阻，甚至用固態電容，

　　這兩點是最有效果的方法。 還有加大電容容量都行，但這個效果就沒那麼明顯

　　開關電源紋波的產生

　　我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度，達到這個目的最根本的解決方法就是要儘量避免紋波的產生，首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。

　　隨著SWITCH的開關，電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITcH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR有關係。這個紋波的頻率與開關電源相同，為幾十到幾百KHz。

　　另外，SWITCH一般選用雙極性電晶體或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極體D在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。

　　如果是AC／DC變換器，除了上述兩種紋波（噪聲）以外，還有AC噪聲，頻率是輸入AC電源的頻率，為50～60Hz左右。還有一種共模噪聲，是由於很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。因為本人是做汽車電子研發的，對於後兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

　　開關電源紋波的測量

　　基本要求：使用示波器AC耦合 ，20MHz帶寬限制 ，拔掉探頭的地線

　　1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。

　　2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的幹擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。

　　3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環測量，是為了減少幹擾。很多部門沒有接地環，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

　　還有一點是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω模塊是除去DC成分，精確測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時不清楚。

　　上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。

　　在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同。可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可。

　　紋波抑制方法

　　濾波法

　　濾波法是最容易的方法之一，因為輸出有紋波，那麼設計就一個合適的濾波器濾除。濾波器有有源濾波器也有無源濾波器。濾波器是在輸出迴路中並聯或者串聯若干電阻電容來實現的。該方法必須通過詳細嚴謹的計算得出紋波頻率特性，從而選出精確的阻值和容值。該方法雖然簡單，但是一旦電容失效，電阻失效或稍有不精確的地方，極有可能混入新的紋波或噪聲，反而加大了輸出紋波。並且該方法在小功率開關電源中可以考慮，如果是幾十安培的大電流，幾十瓦的大功率電源中，損耗是不容忽視，而且體積也會隨之增大。LC低通濾波器見圖1。

　　

　　開關電源紋波的產生其中一個主要因素在於MOS管的開通關斷。因此可以在MOSFET部分設計吸收開關尖峰脈衝的電路。開關尖峰吸收電路有多種。圖2為LC吸收電路舉例。該方法適用於MOSFET外置的拓撲結構，對於一些內置集成MOSFET的集成模塊就無能為力。而且這種吸收電路同樣也需要精確計算。

　　

　　雙路並聯疊加法與改進思路

　　大電流、大功率開關電源的紋波消除可以通過調整MOSFET上控制端PWM的頻率，或採用多路疊加的思路。通過調節開關管的控制端PWM的頻率也可以實現輸出紋波的控制，雙路並聯的基本思路也是在微調PWM的頻率和佔空比實現的，開關電源採用雙路並聯，雙路同時提供輸出功率，從概念上分為主電源與副電源。主電源有紋波，副電源也有紋波，但是如果使得兩個電源佔空比為50％，而且相位差180°時，在輸出端讓兩者疊加就會使紋波大大減小，提高性能。如圖3，圖4所示。

　

　　DC1為主電源，DC2為副電源。當DC1開通時，電壓電流上升，此時DC2關斷。當DC2開通時，電壓電流上升，DC1關斷。令兩者輸出相位相差是180°。將輸出結果相互疊加，就正好可以使輸出紋波相互抵消，這就是雙路並聯的思路。但是由於負載波動，或者外部噪聲因素使得主副電源相位發生變動，相差不再是180°時，反而會使文波幅值、頻率加大。因此提出改進方法就是在主電源輸出中取出紋波相位信號，將該信號反饋給副電源，讓副電源及時糾正相位差，以保持兩個電源相位差為180°。

　　仿真與實驗結果

　　開關電源的紋波測試方法大致可分為兩種，一種為電壓信號，一種為電流信號。測試負載選用與半導體雷射器相近的大功率二極體，測試二極體兩端的電壓信號。紋波電壓是疊加在直流電壓上的交流小信號，將示波器耦合模式調整為交流耦合，去除直流量的測量。在測試過程中要注意保護示波器探頭，避免測試過程中受外界因素幹擾。圖5為反饋迴路的電路圖。從輸出迴路採集紋波信號，將紋波信號放大後反饋回時鐘控制端以控制輸出紋波相位。時鐘的控制可以選取單片機產生PWM，使用單片機的好處在於可以編程實現控制方便簡單，但是要採集信號必須採用A／D轉換器；同時也可以使用專用的控制晶片，控制晶片控制精度高，響應速度快，但這些晶片成本往往比較高。

　　

　　輸出迴路中串聯一個小電阻，電流紋波的變化可以從這個小電阻兩端電壓變化來體現，將這個電壓通過差分放大器放大反饋回時鐘控制端，使得時鐘可以根據這個變化而適時調整兩個電源的相位差。圖6為雙路並聯以後的紋波波形，輸出電壓為12 V，紋波電壓峰峰值為0．9 V。圖7為加了反饋以後的紋波波形，輸出電壓為12 V，而紋波減小為0．4 V。實驗結果表明這種帶有反饋的雙路並聯電流源在紋波抑制方面具有一定效果。

　　

　　開關電源由於其自身結構必然會產生紋波，在各種應用環境中總是力求紋波無限小。基於電源成本，電路複雜程度，應用場合參數要求不同，各種紋波消除手段均有其優勢。除此之外，在其他方面也可以採取各種措施，例如元器件的合理布局，接地技術，屏蔽技術，其他

　　開關電源拓撲結構等。隨著對開關電源的不斷探索，性能更高的電源技術必將會被開發出來。在驅動大功率半導體雷射器當中，多路並聯恆流源具有很高參考價值，本文所提出的紋波抑制方法是一種改進措施，並取得良好效果。

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