反激變換器輸出紋波電壓分析與測量

徐 強，董 威

（西安工業大學光電工程學院，陜西 西安 710032）

1 引 言

反激變換器在輸出功率為5～150W電源中應用非常廣泛。在反激拓撲中，開關導通期間能量被存儲在一個功率電感器中，該電感器就像變壓器一樣；在開關關斷期間，能量則被傳輸到負載。它的最大優點是不需要接輸出濾波電感，使反激變換器成本降低，體積減小。其缺點就是輸出電壓中存在較大的紋波。為了抑制反激變化器紋波，使其應用更加廣泛，對反激變換器紋波電壓產生原因的分析及正確紋波測量方法的研究就顯得至關重要了。該文通過分析DCM和CCM模式下反激變換器的能量傳輸過程，總結出反激變換器紋波產生的根本原因。紋波電壓是開關電源的主要性能參數之一，如何精準測量是一個十分重要問題。目前主要利用寬頻帶示波器來測量紋波，能精準地測出紋波電壓值。該文詳細介紹了幾種利用示波器測量紋波的方法。

2 反激變換器紋波產生機理

2.1 反激式開關電源工作原理

反激變換器的拓撲如圖1所示。開關管導通時，各繞組同名端的電壓相對與異名端為正，輸出整流管D反偏，次級線圈沒有電流流出，電容C單獨向負載供電。開關管導通期間，初級線圈的電壓恒定，其電流線性上升，斜率為：

其中，LP是初級電感。

在導通結束前，初級電流上升達到：

開關管關斷時，勵磁電感的電流使各繞組電壓反向，由于電感電流不能突變，在開關管關斷瞬間，變壓器次級電流幅值為：

開關管關斷時，Nm異名端為正，二極管D導通，有電流IS流出并線性下降，斜率為：

圖1 反激拓撲結構

其中LS為次級電感。若次級電流IS在開關管再次導通之前降到零，則變壓器儲存的能量在開關管再次導通前已全部傳送到負載，變壓器工作于不連續模式（DCM）。若在開關管再次導通前IS沒有降到零，則變壓器工作于連續模式（CCM）。

2.2 DCM模式下能量傳輸過程中紋波的產生

當變換器工作于DCM時，等效電感電流波形如圖2所示，據此可將變換器開關在一個周期內的能量傳輸過程分成四個階段：

圖2 DCM模式下電感電流和輸出電容波形圖

第一階段（0-t1）：電容C單獨向負載供電，等效電路圖如圖3（a）所示。此時，電容電壓線性下降，反激變壓器儲存能量，等效電感電流線性上升。

第二階段（t1-t2）：電感單獨供能，其等效電路如圖3（b）所示。此時，電感電流iL大于輸出電流IO，電感不僅向負載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升。這一階段一直持續到t2時刻電感電流線性下降到iL=IO。

第三階段（t2-t2a）：當電感電流iL

第四階段（t2a-t3）：電容單獨向負載供電，電容電壓線性下降。等效電路如圖3（a）。

2.3 CCM模式下能量傳輸過程中紋波的產生

當反激變換器工作于CCM模式時，根據電感電流的最小值ILV與輸出電流IO的比較，將其進一步細分成兩種能量傳輸模式：當ILV>IO時稱為完全電感供能模式；而當ILV

圖3 等效電路圖

電感完全供能模式。此時ILV>IO，所以開關關斷期間，電感不僅向負載供能，同時還給電容充電，其等效電路如圖3（b）所示；在開關管導通期間，電感儲能，二極管D反偏截止，電容單獨向負載供電，等效電路如圖3（a）所示。電感電流和電容電壓波形如圖 4（a）所示。

不完全電感供能模式。此時ILVIO，電感不僅向負載供能，同時還給電容充電，電容電壓上升，如圖4（b）所示的t1-t2段。第2階段為電感和電容同時向負載提供能量階段，其等效電路如圖 3（c）所示，此時 iL

2.4 反激變換器的紋波

綜上，不管是那種工作模式，隨著開關管的開關，各個階段的能量傳輸使得輸出電容兩端的電壓VO在標準輸出值附近上下波動，形成了三角形開關紋波，其頻率與開關頻率相等。

圖4 CCM模式下電感電流和輸出電容波形圖

3 紋波測量

3.1 示波器測量紋波

用示波器測量紋波，主要裝置包括被測開關電源、負載、示波器及測量連線。有的測量裝置中還焊上電感或電容、電阻等元件。測量過程中要注意以下幾點：

（1）要防止環境的電磁干擾（EMI）侵入；

（2）要防止負載電路可能產生的EMI干擾；

（3）對小型開關型模塊電源，由于內部無輸出電容或輸出電容較小，所以在測量時要加上適當的輸出電容。

為滿足第（1）條要求，測量連線應盡量短，并采用雙絞線（消除共模噪聲干擾）或同軸電纜；一般的示波器探頭不能用，需用專用示波器探頭；并且測量點應在電源輸出端上，若測量點在負載上則會造成極大的測量誤差。為滿足第（2）點，負載應采用阻性假負載。

3.2 幾種測量方法及裝置

3.2.1 雙絞線測量法

雙絞線測量如圖5所示。采用300 mm長、#16AWG線規組成的雙絞線與被測開關電源的+OUT及-OUT連接，在+OUT與-OUT之間接上阻性假負載。在雙絞線末端接一個4TμF電解電容（鉭電容）后輸入帶寬為50MHz（有的企業標準為20MHz）的示波器。在測量點連接時，一端要接在+OUT上，另一端接到地平面端。

圖5 雙絞線測量線路

這里要注意的是，雙絞線接地線的末端要盡量的短，夾在探頭的地線環上。

3.2.2 側靠法

圖6所示為一種專用示波器探頭直接與被測電源側靠接觸。專用示波器探頭上有個地線環，其探頭的尖端接觸電源輸出正極，地線環接觸電源的負極（GND），接觸要可靠。

圖6 專用探頭側靠法

這里順便提出，不能采用示波器的通用探頭，因為通用示波器探頭的地線不屏蔽且較長，容易撿拾外界電磁場的干擾，造成較大的噪聲輸出，虛線面積越大，受干擾的影響越大。

3.2.3 同軸電纜測量法

圖7是在被測電源的輸出端接R、C電路后經輸入同軸電纜（50Ω）后接示波器的AC輸入端。

圖7 同軸電纜測量線路

3.2.4 紋波和噪聲的測量標準

以上介紹了多種測量方法，同一個被測電源若采用不同的測量方法，其測量的結果是不相同的，若能采用一樣的標準測量裝置來測，則測量的結果才有可比性。該文將介紹一種基于EIAJ-RC 9002A測量標準的測量裝置，如圖8所示。

該標準規定在被測電源輸出正、負端100mm處并聯兩個電容，一個為100μF電解電容，一個為0.1μF薄膜電容。在這兩個電容的連接端接負載及不超過1.5 m長的50 Ω同軸電纜，同軸電纜的另一端連接一個50Ω的電阻和串接一個0.1μF的電容后接入示波器，示波器的帶寬為20MHz。同軸電纜的兩端連接線應盡可能地短，以防止撿拾輻射的噪聲。連接負載的線若越長，則測出的紋波和噪聲電壓越大，在這情況下有必要并聯兩個電容。若示波器探頭的地線太長，則紋波和噪聲的測量不可能精確。另外，測試應在溫室條件下，被測電源應輸入正常的電壓，輸出額定電壓及額定負載電流。

圖8 基于EIAJ-RC9002A測量標準

4 實驗及結果

在比較干凈的電磁環境下，接地情況良好，采用同軸電纜法對輸出電壓為15 V的某型號開關電源進行了紋波測量。測量結果如圖9。

5 結束語

在反激變換器的能量傳輸過程中，不同的傳輸模式下，根據電感電容的電流電壓波形圖把整個過程分為相應的幾個階段，從根本上分析出了反激變換器紋波產生的原因；總結了正確的紋波測量方法、裝置、具體的線路圖、相關標準和測量結果。因此，該文為進一步研究電源紋波，抑制電源紋波奠定了基礎。

圖9 測試結果圖

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