一种低纹波开关电源设计(2)

　　3)变压器和输出整流滤波电路

　　变压器功率较大，铁氧体磁芯难以做到，采用了铁基纳米晶带材。与铁氧体材料相比，铁基纳米晶带材具有高饱和磁感应强度、高导磁率和低矫顽力，使变压器体积减小、频响更高、效率提高。同时，加工、安装方便、参数调整容易。由于IGBT作硬开关，工作频率高于1 5kHz时，开关损耗成为电源主要损耗，因此，变压器及变换器工作的频率设计为15kHz。输出整流二极管选用摩托罗拉MUR20020快恢复二极管。

　　输出滤波电路采用LC滤波器，由于电感器的电感量和功率较大，铁粉芯和铁硅铝的磁芯没有相适应的产品规格，电感磁芯采用了铁基非晶材料。为了降低输出纹波，电容器采用美国CED公司101型电解电容器，它的ESR(等效串联电阻)、ESL(等效串联电感)为目前所有品牌电解电容器中最低，且温度范围很宽。

　　4)控制与安全保护

　　电源是输出电压在0～100V间不分档、可连续调节的直流稳压电源，过载保护被设计成高精度的限流保护形式，其限流值在0～100A间可连续调节。为了可靠起见，反馈控制采用了传统的模拟控制，即用误差放大器来减小输出电压与参考电压的误差。控制芯片采用TL494，设计为恒压恒流双闭环控制系统，两个闭环共用一个脉宽调制实时处理，实现恒压调节和恒流调节功能。TL494的两个误差放大器，一个用于电压稳定控制，一个用于电流限制。电流采样电阻采用1 00A／75mV标准分流器。TL494用作电压反馈和电流反馈的放大器被设计成“或”的关系。输出电压大小的调节，用改变电压反馈取样电阻的分压比实现，电流限制调节的方法同样。

　　2 输出电压纹波

　　抑制电源输出电压中的低频交流纹波和开关噪声纹波的关键是找到成因，再确定处理方案。通常是从器件和电路两方面解决。

　　1)尖峰噪声的抑制

　　尖峰噪声产生于晶体管ON／OFF的瞬间。为抑制尖峰噪声，选取ESR、ESL低的电容器和具有软恢复特性的二极管，通过C4～C7和R4～R7对二极管开关时的尖峰进行抑制。另外，在二极管套入非晶磁珠，对尖峰抑制效果大大好于RC电路，但发热太大，未被采用。对于IGBT母线电感引起的尖峰，通常的LCR吸收电路比较复杂，参数不易协调。由于变换器是采用H桥模块，母线很短，所以只用C2完成尖峰吸收。R2和R3吸收变压器漏感引起的尖峰。使开关波形瞬间产生的尖峰电平只比直流电平稍高一些，大大减轻了IGBT上的尖峰噪声。C2，C3选用CDE公司的930型聚丙烯薄膜无感电容器。

　　2)输出纹波的抑制

　　开关电源中低频交流纹波一般的说法是从交流电网引入的，输出滤波器无法滤除，主要靠系统闭环负反馈来抑制，但这极易引起电路振荡，损坏IGBT。事实上在供电容量足够，输入滤波合适的情况下，测不出交流输入带给直流输出的纹波。由于开关电源电路中谐波丰富，以致引起低频纹波的原因很多：工艺结构方面，如布线不当；器件的原因，如电容的ESR、电感参数(取直，气隙，磁芯的选择)；元件间的配合，如L与C的乘积值等。尤其电感器对电源的稳定性和输出纹波影响。其中防饱和气隙是电感器在输出引起低频纹波重要原因，常常不易判断，这个纹波的频率随气隙的大小而变，范围在几百赫兹内。幅度大小与输出电压的值有一定关系，且不成比例，如图3所示。但电感磁芯没有气隙，又易饱和。非闭合磁芯，又使体积变很大，相对而言，设计了功率容量放大，不开气隙的磁芯，使问题解决。

　　3 结束语

　　经有关计量单位对电源进行的正式测试，无论是空载还是负载，输出电压在1～100V变化时，相应纹波在0．6～50mV之间，电源的其它工作和指标也都达到要求。电源在工程现场顺利地通过了工程控制系统自运行、发火引爆试验、测控系统联试、发动机点火热试车等工作的考核验证，已正式投入使用。这表明高功率调宽变换器型稳压电源可以很好的做到宽范围的连续可调和超低纹波要求，拓宽了高功率普通硬开关电源的用途。