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諧振解決開關電源電壓輸出尖刺問題

时间:2021-11-07     【原创】

       眾所周知,開關電源與線性電源相比有許多優點,最突出的就是其效率高。高效率又帶來或造成了其他的許多優點。但是開關電源又有一個突出的缺點,就是輸出電壓中尖刺形成分很大,簡稱尖刺很大。尖刺大造成了許多問題,它對輸入電網和輸出負載形成了高頻躁擾,影響負載和其它設備的工作。這就在許多領域中限制了它的應用。本文論述如何利用諧振現象,以一個簡單的處理方法,達到減小尖刺的目的。

  一、開關電源尖剌產生的原因尖刺是怎樣產生的呢

  原來,實際上能做出來的電感、電容元件和安裝電路,自身總存在一定的分布電容和分布電感。它們組成了比較復雜的電路,有一個或幾個諧振頻率點,在迂到同頻率的電壓諧波時,就會產生衰減振蕩,第一個正半波就是尖刺。在實際中,分布電容大約在幾個PF以下,分布電感大約在幾個MH以下。這種諧振頻率大約處于OMc以上的范圍內。由于濾波電路接受的是方波形的電壓,而這種電壓波形含有很豐富的高次諧波,也就是說高次諧波的幅值比較大。在現在常用的設計中,開關電源的基波頻率一般定在30至300Kc范圍內,那么在10Mc以上范圍的高次諧波就會有較大的幅值,因此形成尖刺幾乎是必然的。開關電源是由開關管產生占空比可變的方波電壓,然后通過LC電感電容濾波電路變成平直的直流輸出電壓,上面疊加著尖刺。問題在于,這種尖刺很難被濾除掉。這與電壓的大小、安裝電路的形狀等有關,一般在幾十mV至一百多mV。

  二、開關電源減小尖剌的方法

  怎樣才能減小開關電源尖刺、使它處于幾毫伏甚至小于一毫伏呢,從以上工業科技發展分析可以看出,在濾波環節上下功夫難以有很大的效果,因為要消除分布電容電感是做不到的。

  采用多級濾波雖能減小尖剌,但使系統不穩定,容易造成自激?梢栽谙魅蹰_關波形的高次諧波幅值上想辦法。在富利葉級數展開后,可以看出:方波高次諧波的幅值是與次數成反比,

  An=K/n

  n是諧波次數,K是常數。三角波高次諧波的幅值是與次數的平方成反比,

  An=K/n2.

  這就是說,三角波與方波相比,其高次諧波的幅值要小得多。為了更切合實際,我們再來看看梯形波的情況。

  梯形波的高次諧波幅值與次數的關系是:An=K/(n2―c)。

  c是另一個常數,與梯形二邊斜度有關。也就是說,梯形波的高次諧波在次數較大(十幾次以上)時,基本上也是與次數平方成反比。

  這樣看來,如果將方波的前后沿變緩,其高次諧波幅值就會小很多,對減小開關電源尖刺很有利。我們可以用減小開關管的開關速度來減緩前后沿,這個方法雖簡單,但是管耗急劇上升,失去了開關電源損耗低的優點,難以取得理想的效果,在實際上行不通。下圖是一個典型的開關電源中開關管的損耗與開關時間之間的關系曲線。開關頻率為25Kc.可以看出,開關時間加大到1HS(lOOOnS)以上時,管耗將急劇上升。而1MS以上的開關時間,才能有效地減小尖刺。一般開關時間都在200nS以下。而開關頻率大有升高的趨勢,達lKc以上,此法就更行不通了。

  技術的發展要求我們解決既不增加損耗而又能有效地減小開關電源尖刺這一難題。經過反復研究和試驗發現,可以利用諧振現象本身來解決由它帶來的這個尖刺問題。在開關管和濾波器之間插入一個諧振電路,它的諧振頻率設計在開關頻率的10倍左右,約2Mc,這樣到達濾波器的電壓波形是一個方波疊加上一個衰減正弦波。

  該正弦波的頻率就是這個諧振電路的頻率,由于其頻率不高,很容易被后面的濾波器濾除。尖刺可以小到理想的程度。在示波器上可以觀察到,開關波形的前后沿是衰減正弦波的前后半波,因此不陡。這個諧振電路也采用LC電路,損耗極小。而開關管仍保持高速開關工作,管耗依然很低。這個方法效果很好,在實驗室研制的實驗用電源中,尖刺小到5mV的水平。經過精細調整的電源中,尖刺可小到用5mV/格的示波器不能觀測出來。

  三、結論

  諧振現象是一個很有意思的電學現象,應用得好,可以在科研和生產中解決許多難題,取得上佳的效果。本文論述的就是它在開關電源中的一個成功的應用。在既不減少效率又不明顯增加成本體積的前提下,有效地減小尖刺,提高了開關電源的品質。

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