一種開關電源的能力提升設計

郭永鋒 闊超

摘要：本文論述了一種電源模塊通過濾波電路設計、內部電源變換改進設計、電流電壓調整參數、PCB布局調整等改進設計，使得電源模塊的從帶載能力及最大功率使用上滿足了設備使用要求。

關鍵詞：濾波;抑制;變化;調整

1.前言

某開關電源用于通信設備中，用于將輸入的直流電源轉換為多路直流電源，用于機通內各單元的電源輸入。該開關電源是一款多路輸出的、多功能的模塊，具有輸入反接保護、過壓保護、浪涌保護、尖峰抑制、應急控制等功能。

由于電源模塊在使用過程中，發現模塊帶載能力較差，最大功率不能滿足設備使用，所以，需要對該電源模塊提升帶載能力以及提高最大功率使用以滿足設備需求。

2.電路原理介紹

電路原理為通過濾波處理、浪涌及尖峰抑制處理，并經電源隔離處理后輸出相對應的需要電壓接口。本文主要從以下幾個方面進行改進設計。

2.1.EMI濾波電路設計

DC-DC變換器中，由于寄生參數的存在以及開關管的高速導通和關斷，使得變換器在輸入輸出端產生較大的干擾噪聲。干擾噪聲是差模分量和共模分量共同作用的結果。差模噪聲就是通常意義上的噪聲，產生的干擾信號與工作信號將以電勢源的形式串聯加于變換器的輸入端，會對系統產生直接的影響。共模噪聲發生在每根傳輸線和地線之間。共模干擾是由共模電流引起的，DC-DC變換器中的各器件之間和器件與機殼之間都存在寄生電容，導線存在寄生電感，這些寄生參數構成了一個寄生傳輸網絡。當功率開關高速開通與關斷時，會產生一個脈沖序列——脈沖源，該脈沖源通過寄生傳輸網絡在變換器的輸入、輸出線與地線之間產生共模電流干擾。

電磁干擾從設備內發射出來或進入設備只有兩個途徑，就是空間電磁輻射的形式和電流沿著導體傳導的形式?，F在已發現輸入輸出濾波器不僅對電源線傳導發射（CE102）和傳導敏感度（CS101）的測試有作用，還對輻射發射（RE102）、電纜束注入傳導敏感度和靜電放電的測試也有作用，因為通過試驗已證明電源線及各種輸入輸出引線產生的輻射遠高于線路板本身的輻射及機殼機箱屏蔽不完整所產生的輻射，設備引線是主要的輻射源同時又是敏感度很高的接收器，在EMC測試中輻射敏感度、電纜束注入敏感度、靜電放電等測試會在電源線上產生共模電壓，當共模電壓轉變為差模電壓時，就會對電路產生影響。

EMI濾波器主要用來濾除導線上的電磁干擾，由于電磁干擾的頻率范圍很寬，一般從幾十kHz到幾百MHz，因此濾波器的有效濾波頻率要覆蓋這么寬的范圍。由于DC-DC變換器的主要干擾源是由開關頻率產生的高次諧波，以及高頻電磁波更容易接收而對設備造成干擾，因此這些干擾均以高頻為主，所以EMI濾波器采用低通濾波器。

低通濾波器的電路形式有多種。濾波器的選擇主要取決于要抑制的干擾頻率與工作頻率之間的差別和濾波器所接電路的阻抗。但是實際電路的阻抗很難估算，特別是在高頻時，由于電路受雜散參數的影響，電路的阻抗變化很大，而且電路阻抗在不同的頻率上也不一樣。因此，在實際電路中，哪一種濾波器更有效，主要靠試驗的結果確定。

產品中設計的EMI濾波器電路如圖2。圖2中的C1、C2、C3、L1構成差模濾波電路以濾除差模干擾。 C4、C5、L2構成共模濾波電路以濾除共模干擾。C4、C5用的Y電容（跨接在正線和回線與機殼之間，對共模電流起旁路作用，共模濾波電容一般取10000pF以下）。同時，將輸入、輸出端正線和回線同向共磁芯繞制成共模電感L1，抑制共模噪聲干擾。

2.2.內部電源變換部分設計

2.2.1.電路拓撲選取

根據需求分析，通過內部的母線變換器實現功率隔離轉換。功率隔離轉換電路采用反激拓撲電路實現。 該拓撲電路具有：元器件數量少、轉換效率高、電路簡單、器件選取方便等特點。

2.2.2.電路拓撲分析

單端反激電路拓撲圖如圖3所示。

反激式變壓器開關穩壓電源通過改變控制開關的占空比來調節開關電源的輸出電壓和對儲能濾波電容的充、放電電流來達到穩定電壓輸出。

2.2.3.變壓器設計

結合用戶的功率需求，變壓器的磁芯選用了輸出功率容量大、高度低、PC40材質的通用鐵氧體磁芯。在變壓器的線徑選取上，經精心計算，選用合適的高強度漆包線和絕緣材料達到變壓器的磁損與銅損的平衡。

2.3.電流、電壓調整率

產品設計中，每路輸出電壓采用電阻進行電壓采樣，通過運放組成負反饋控制回路進行控制。合理設計電路中相關參數，確保電流、電壓調整率滿足要求。

3.小結

通過對電源模塊進行濾波電路、內部電源變換、電流電壓調整率等設計改進，使得電源模塊的帶載能力及最大功率滿足了設備需求。

參考文獻：

[1] 杜少武.現代電源技術.合肥工業大學出版社，2010.

[2] 何宏，杜明星，張志宏.清華大學出版社，2017.