开关电源低纹波设计研究

开关电源低纹波设计研究

DesignofSwitched-modePowerSupplywithLowRipple

宋飞SongFei；胡世平HuShiping；姚信安YaoXin'an

（国防科技大学计算机学院，长沙410073）

（NationalUniversityofDefenseTechnologySchoolofComputer，Changsha410073，China）

摘要：本文提出了一种基于开关电源原理的极低纹波电源的设计方案，该方案不仅克服了线性电源体积大、效率低等致命弱点，同时还能够

将输出纹波控制在极低水平。

Abstract：Thispaperputforwarddesignplanofpowersupplywithextra-lowripplebasedonswitched-modepowersupplyprinciple.Notonlydoesthedesignovercomethevitalshortcomingsoflinearpowersuchaslargevolume,lowefficiency,butalsocontrolstheoutputrippleinextra-lowlevel.

关键词：开关电源；低纹波；双滤波器；电磁兼容Keywords：switched-modepowersupply；lowripple；doublefilter；electromagneticcompatibility

中图分类号：TG434.1

文献标识码：A

文章编号：1006-4311（2011）19-0030-01

0引言

众所周知，设备系统中的高精度的传感器需要相当纯净的低纹波电源供电，这样有利于提高其精度。而目前市场上多数DC-DC开关电源都不能做到很低的纹波，在使用上存在着一定的局限性。本设计摒弃了传统的线性电源设计方案，以优质DC-DC电源控制模块为核心，采用输入输出双滤波器的特殊滤波结构，关键部位采用高性能的三端滤波器和聚酯电容滤波，实现直流28V电源至7V/3A的电源转换，作为陀螺的供电电源。该电源的纹波控制在极低水平，可以控制在1.5mV左右，远远优于市场上的同类开关电源。

1滤波原理

共模干扰是电源设计中常见的干扰之一，共模电感对共模干扰有良好的抑制作用。共模电感的等效电路如图1所示。图中的Ug为共模干扰电压，RL为负载电阻，在这里为开关电源的输入电阻，RC为不平衡电阻，在这里表示两个电感线圈在绕制过

RC代表两程中，虽然匝数相同，但存在所用导线长度不同的情况，

绕组直流电阻之差，UN为传输到电源输入端的共模干扰电压。根据图1可得到Ug=jωLI1+jωMI2+RLI1Ug=jωLI2+jωMI1+RCI2

URL

当M=L，UN=I1RL并设RC垲RL时，可知：UN=gC。为了尽量

jω+R2LU

减少噪声电压UN，应使RC尽可能小，电感L满足ωL垌RC，则N→0。

Ug

所以，有了共模滤波器之后，在ωL垌RC条件下，传输到电源输入端的共模干扰电压很小，能够起到良好的抑制作用。

2电路设计

电源电路原理部分如图2所示，由输入滤波网络、开关电源模块、输出滤波网络何检测信号输出等部分组成：

用了很少采用的双滤波器的滤波结构，即在电源输入端和输出端上

设计中使用的开关电源模块开关频率为各插入了一个共模滤波器。

300KHz，一般认为150kHz～10MHz范围内主要是共模成分的噪声，可以采用共模抑制滤波器来解决。输入端的共模滤波器可以防止开关电源的共模噪声传递到电源线中，影响系统中其它的用电设备，同时也抑制来自系统总电源的噪声，减少噪声对电源本身的侵害。输出端的共模滤波器能够有效地抑制开关电源模块的共模噪声对用电设备的干扰。双滤波器结构如图3所示。设计中共模扼流圈采用导磁率高、频率特性较佳的铁氧体磁性材料，电感量在2.2mH左右。实验结果表明双滤波器结构能够有效地抑制系统电源对电源模块的干扰，同时能够有效的降低输出的纹波。

2.2电源技术的合理运用电源的合理应用包括具备完善的保护措施和检测监控技术，提高电源的安全性和可靠性；在电源的高压输入端、输出端等关键部位采用浪涌吸收设备对电压瞬变和冲击采取防护抑制措施，提高电源系统可靠性；采用多重滤波措施，有效降低输出电压纹波，改善系统的动态性能；合理配置DC-DC开关电源控制模块，优化电路设计，实现高集成低纹波电源的设计。①输入保险丝。电路中安装保险丝可以起到保护电源控制模块的作用。保险丝应安装在各模块的输入端，以防模块出现输入短路故障将输入

②输入维持电容。模块出现输入短路故障时，或其它原因母线短路。

导致输入母线电压瞬间跌落的意外时，安装在模块输入端的维持电容，可在一定时间内给模块提供维持电压。另外还可以吸收模块输入端的电压尖峰。为满足维持时间的要求。③输入瞬间过压保护。在电源系统设计中，关键部位要采用TVS对电压瞬变和浪涌冲击采取防护抑制措施，以防止电源系统遇到随机的电压冲击，造成输出电压的波形中出现尖峰及毛刺，甚至导致电源系统的损坏。④实时检测功能电源实时检测监控设计可以使系统的安全性和稳定性大大提高。电源输出端通过光耦隔离后，能够有效的检测电源输出状态是否正常；同时降低电源设备对系统其它设备的干扰。

2.3电磁兼容设计电源良好的电磁兼容性设计可以很大程度降低外界干扰对电源噪声的影响。设计中实现电源EMC的技术措施主要有以下两种：PCB设计进行合理布局、布线，尽可能减小电路

利用优质的DC-DC开关电源控制模块，采用输入输出双滤波的环路面积，功率线应尽量短，尽量宽，导线分类束扎；电源电路板安器的滤波结构，关键部位采用高性能的三端滤波器和聚酯电容滤装在铝盒中进行良好的屏蔽，并且接地，提高了电源抗干扰的能力。波，并通过合理的电磁兼容设计，最终将输出纹波控制在极低水平。3总结

输入电源为直流+28V，经过输入滤波网络变为纯净稳定电流该极低纹波开关电源在某型号光电设备中得到了成功应用，已输入DC-DC控制模块，然后模块将电压变换为+7V输出，再经过输经和整机系统一起运行了相当一段时间，在长期的工作中性能稳出滤波网络将电压的输出纹波、干扰等进一步降低，达到设计所要定、工作可靠。该低纹波开关电源不仅拥有线性电源所独有的低纹求的。同时给主机提供检测信号输出。波性能，同时又兼顾有开关电源的高效率、低发热、体积小、重量轻、

2.1双滤波器设计针对电源的低纹波要求，在电路设计上采隔离输出等优点，这些都是一个高品质电源所必须具备的，同时也———————————————————————是今后电源发展的必然趋势。

作者简介：宋飞（1973-），男，江苏睢宁人，湖南省长沙市国防科技大学计算

参考文献：

机学院计算机研究所助理研究员，研究方向为高性能计算机电源

系统及计算机电磁兼容。[1]李宏.浅谈开关直流电源的纹波抑制问题[J].电力电子技术,2000,(06).[2]高利兵.一种新型的低纹波开关电源[J].电子工程师,2004,(08).