抑制波紋晶體管開關穩壓電源電路設計

孫亞中

摘要： 本文分析了開關電源中波紋產生的原因以及抑制波紋常用的方法，給出了一種抑制波紋的晶體管開關穩壓電源電路。通過實驗測試，得出文中提出的晶體管開關穩壓電源能夠較好地抑制電源中的干擾。

Abstract： This paper analyzes the reasons of ripple produced in switching power supply and ripple suppression methods commonly used. A transistor switching power supply circuit of the ripple suppression is brought forward in the paper. Through the experimental test， it is concluded that the transistor switching regulated power supply can restrain the interference in the power supply.

關鍵詞： 波紋；開關電源；晶體管

Key words： ripple；switching power supply；transistor

中圖分類號：TN321 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）35-0122-03

0 引言

在用電控制的儀器設備中，都需要穩壓電源，由于價格、功率等的要求，因此設計人員更傾向于使用開關電源，而很少使用線性電源。開關電源的優勢在于轉換效率高，最高可以達到將近97%，另外開關電源重量輕、體積小。開關電源最大的缺點是輸出的紋波和噪聲電壓較大，而這一性能影響到儀器設備的運行，特別是對于需要處理小信號的儀器中，電源產生的噪聲可能會干擾輸入的信號，使得儀器無法正確運行。如何處理好電源的噪聲，有很多方法[1][2]，本文通過一個典型電源電路分析開關電源產生紋波和噪聲的原因及減小紋波和噪聲的措施，并詳細探討了電源各部分電路的原理功能和實現的方法。

1 干擾產生分析

電信號干擾分為：噪聲（nois）和紋波（ripple）兩種，其表現形式為圖1形式。

噪聲的定義是指在直流電壓或電流中，疊加了振幅和頻率上完全無規律的交流分量。該分量會干擾電路的分析、邏輯關系，影響其設備正常工作。紋波是指疊加在直流電壓或電流上的交流信號，會降低電源的效率，嚴重的波紋更有可能會損壞用電設備，另外波紋還會干擾數字電路的邏輯關系，影響設備工作狀態。

通常的開關電源輸出的直流電壓中疊加了由噪聲和波紋引起的交流信號。波紋主要是由于開關電源的開關動作造成的，而波動的頻率跟開關的頻率是一致的，大小取決于輸入、輸出電容的參數。作為開關的元件都有寄生的電感與電容，當元件在電流流動變化工作時，會產生電壓與電流的浪涌，這些浪涌信號都會在電源產生干擾信號。浪涌電流指電源接通瞬間，流入電源設備的峰值電流。該峰值電流遠遠大于穩態輸入電流，這種瞬時過電流稱為浪涌電流，是一種瞬變干擾。

噪聲電壓主要跟電源的拓撲結構、電路中的寄生參數、工作的電磁環境以及印制電路板的布線有關。

當信號較小的時候，會產生干擾的信號。圖2（a）是實驗信號波形，（b）是小信號上疊加了干擾的波形。干擾可以表現為尖峰、階躍、正弦波或隨機噪聲，干擾的產生來自多方面，電路設計不合理、器件使用不當、工作環境干擾、電源噪聲等，其中電源產生的噪聲是常見主要的原因，而這些干擾信號會造成后續電路一系列的處理誤差，所以在要求較高的場合，這樣的噪聲是必須要解決的。

2 解決措施

開關電源電路一般由整流平滑電路、集成開關電路、浪涌電壓吸收電路、電壓檢測電路、次級側整流平滑電路等構成。其工作原理：開關電路供應穩定電壓和平滑的電流，是本電路的主要部分，開關晶體管的集電極電流決定電源的輸出電流。紋波的解決措施[3][4]主要有：調整電感和電容參數、增加電容電阻緩沖網絡。

2.1 調整電感和電容參數

電流波動與電感參數、以及輸出電容大小有關，通常電感值越小，波動越大，輸出電容值越小，波紋越大。因此可以通過增大電感值和輸出電容值來降低波紋。

式中Imax是紋波的峰值，輸出電容值增加可以降低波紋。

在這里以BUCK型開關電源為例，當開關電源工作時，提供的電壓不變，但是電流會變化，為了穩定電源的輸出電流，在如圖4（a）的指示位置并聯一個電容C+。

通過增加電感值的方法來減小波紋的做法是受限的。因為電感越大，體積就越大。電感的取值可以這樣計算：假定輸入電壓為Vin，輸出電壓為Vo，工作頻率為f，輸出電流為I，電感中電流的波動值為？駐I的話，有：

就可以計算電感值了。

在電路調試過程中發現，隨著C+不斷增加，減小波紋的效果會越來越差，同時增加f，會增加開關損失。因此可以通過再加一級LC濾波器的方法來改善，如圖4（b）所示。LC濾波器抑制波紋的效果較好，只要根據需要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容即可。

2.2 增加電容電阻緩沖網絡

在二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯電容C或RC緩沖網絡。電阻與電容取值要經過反復試驗才能確定，一般選擇電阻為10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

3 電路設計及實測

根據以上分析，設計出了一種開關穩壓電源如圖5所示，采用可控硅觸發方式。通過整流放大后的波紋去觸發可控硅的導通，當整流電壓值為零時，可控硅自動關斷。只要用輸出電壓的變化來控制觸發信號的前沿，即可實現穩壓。穩壓電路主要由可控硅、4個晶體管和1個變壓器等組成，如圖5所示。我們在multisim環境下對該電路進行仿真，效果非常好。再用實際電路搭試，并加上30歐姆純電阻阻抗后，選取了7個測試點，測試波形見圖6所示。 圖中變壓器T、二極管D1～D4和電容器C1-4組成整流濾波電路，測試點1電壓紋波波形見圖6中1的圖像，顯然是在全波整流后的紋波出現；電阻R2、R3和隔直電容C5組成取樣電路，測試點2電壓紋波波形見圖6中2的圖像；控制可控硅的紋波信號測試點3、4電壓紋波波形見圖6中的3、4的圖像；隔直后的測試點5電壓紋波波形見圖6中的5的圖像；線圈T2控制信號的初級波形見圖6中7的圖像；線圈T2次級控制可控硅信號見圖6中6的圖像。當電壓沒有紋波時，線圈T2不發揮作用，但當電壓有波動時（紋波），則自動控制可控硅工作，抑制電壓的波動。在電路中的電感對抑制電壓的波動也起到了良好的作用，其電感值可以根據電壓的大小和對紋波的要求進行適當的選擇。該電路在最后的輸出功率可以達到110W，當負載發生變化10-104歐姆時，電壓變化的范圍大約是1毫伏。

4 結束語

本文對開關電源噪聲與紋波的產生原因和抑制方法進行了分析和討論，并設計出了一種晶體管開關穩壓電源電路，觀察仿真實驗，可以得出該設計能夠抑制一定的電源噪聲與波紋。在實際中，需要依據產品的參數，如體積、成本等問題綜合考慮，選擇合適的設計方法。

參考文獻：

[1]梁凱.開關電源的電磁兼容性設計[J].電源技術應用，2007，10（2）：18-23.

[2]張波.開關電源中的電磁干擾的抑制[J].電源技術應用，2005，8（9）：38-42.

[3]鄭大連，楊忠孝，張榆平.DC＼Dc電源中的波紋抑制設計[J].電子元器件應用，2011（13）：43-44.

[4]方宇杰.開關電源紋波抑制研究[J].現代電子技術，2015，32（10）：136-138.endprint