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谐振解决开关电源电压输出尖刺问题

时间:2021-11-07     【原创】

       众所周知,开关电源与线性电源相比有许多优点,最突出的就是其效率高。高效率又带来或造成了其他的许多优点。但是开关电源又有一个突出的缺点,就是输出电压中尖刺形成分很大,简称尖刺很大。尖刺大造成了许多问题,它对输入电网和输出负载形成了高频躁扰,影响负载和其它设备的工作。这就在许多领域中限制了它的应用。本文论述如何利用谐振现象,以一个简单的处理方法,达到减小尖刺的目的。

  一、开关电源尖剌产生的原因尖刺是怎样产生的呢

  原来,实际上能做出来的电感、电容元件和安装电路,自身总存在一定的分布电容和分布电感。它们组成了比较复杂的电路,有一个或几个谐振频率点,在迂到同频率的电压谐波时,就会产生衰减振荡,第一个正半波就是尖刺。在实际中,分布电容大约在几个PF以下,分布电感大约在几个MH以下。这种谐振频率大约处于OMc以上的范围内。由于滤波电路接受的是方波形的电压,而这种电压波形含有很丰富的高次谐波,也就是说高次谐波的幅值比较大。在现在常用的设计中,开关电源的基波频率一般定在30至300Kc范围内,那么在10Mc以上范围的高次谐波就会有较大的幅值,因此形成尖刺几乎是必然的。开关电源是由开关管产生占空比可变的方波电压,然后通过LC电感电容滤波电路变成平直的直流输出电压,上面叠加着尖刺。问题在于,这种尖刺很难被滤除掉。这与电压的大小、安装电路的形状等有关,一般在几十mV至一百多mV。

  二、开关电源减小尖剌的方法

  怎样才能减小开关电源尖刺、使它处于几毫伏甚至小于一毫伏呢,从以上工业科技发展分析可以看出,在滤波环节上下功夫难以有很大的效果,因为要消除分布电容电感是做不到的。

  采用多级滤波虽能减小尖剌,但使系统不稳定,容易造成自激。可以在削弱开关波形的高次谐波幅值上想办法。在富利叶级数展开后,可以看出:方波高次谐波的幅值是与次数成反比,

  An=K/n

  n是谐波次数,K是常数。三角波高次谐波的幅值是与次数的平方成反比,

  An=K/n2.

  这就是说,三角波与方波相比,其高次谐波的幅值要小得多。为了更切合实际,我们再来看看梯形波的情况。

  梯形波的高次谐波幅值与次数的关系是:An=K/(n2―c)。

  c是另一个常数,与梯形二边斜度有关。也就是说,梯形波的高次谐波在次数较大(十几次以上)时,基本上也是与次数平方成反比。

  这样看来,如果将方波的前后沿变缓,其高次谐波幅值就会小很多,对减小开关电源尖刺很有利。我们可以用减小开关管的开关速度来减缓前后沿,这个方法虽简单,但是管耗急剧上升,失去了开关电源损耗低的优点,难以取得理想的效果,在实际上行不通。下图是一个典型的开关电源中开关管的损耗与开关时间之间的关系曲线。开关频率为25Kc.可以看出,开关时间加大到1HS(lOOOnS)以上时,管耗将急剧上升。而1MS以上的开关时间,才能有效地减小尖刺。一般开关时间都在200nS以下。而开关频率大有升高的趋势,达lKc以上,此法就更行不通了。

  技术的发展要求我们解决既不增加损耗而又能有效地减小开关电源尖刺这一难题。经过反复研究和试验发现,可以利用谐振现象本身来解决由它带来的这个尖刺问题。在开关管和滤波器之间插入一个谐振电路,它的谐振频率设计在开关频率的10倍左右,约2Mc,这样到达滤波器的电压波形是一个方波叠加上一个衰减正弦波。

  该正弦波的频率就是这个谐振电路的频率,由于其频率不高,很容易被后面的滤波器滤除。尖刺可以小到理想的程度。在示波器上可以观察到,开关波形的前后沿是衰减正弦波的前后半波,因此不陡。这个谐振电路也采用LC电路,损耗极小。而开关管仍保持高速开关工作,管耗依然很低。这个方法效果很好,在实验室研制的实验用电源中,尖刺小到5mV的水平。经过精细调整的电源中,尖刺可小到用5mV/格的示波器不能观测出来。

  三、结论

  谐振现象是一个很有意思的电学现象,应用得好,可以在科研和生产中解决许多难题,取得上佳的效果。本文论述的就是它在开关电源中的一个成功的应用。在既不减少效率又不明显增加成本体积的前提下,有效地减小尖刺,提高了开关电源的品质。

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