开关电源输出纹波很大是什么原因及解决方法 - 全文

　　近年来，开关电源以其体积小，重量轻，效率高等优点，在工程领域、医疗机构、科学研究等方面有着越来越广泛的应用。本文着重解决一款能输出10 A电流12V电压的特殊恒流源的纹波抑制问题，专门用于大功率的半导体激光器驱动。该激光器需求高稳定的光功率输出，激光器输出光功率的稳定性是一个主要参数，半导体激光器的光功率稳定性主要表现在输入电流的稳定性，输入电流的纹波越小光功率稳定性越好。目前，解决开关电源纹波的方法有若干种，各有其优缺点，由于输出电流是10 A的大电流，一般的方法不能适用。

　　纹波是工频引起的，减小纹波，作用很大的方法：

　　1.，输出用π型电路，就是一个电容，一个电感，再一个电容的方式。

　　2。输出电容一定要用高频低阻，甚至用固态电容，

　　这两点是最有效果的方法。 还有加大电容容量都行，但这个效果就没那么明显

　　开关电源纹波的产生

　　我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。

　　随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITcH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。

　　另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。

　　如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。因为本人是做汽车电子研发的，对于后两种噪声接触较少，所以暂不考虑。

　　开关电源纹波的测量

　　基本要求：使用示波器AC耦合 ，20MHz带宽限制 ，拔掉探头的地线

　　1，AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。

　　2，打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。

　　3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。

　　还有一点是要使用50Ω终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。

　　上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω同轴电缆方式测量。

　　在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。

　　纹波抑制方法

　　滤波法

　　滤波法是最容易的方法之一，因为输出有纹波，那么设计就一个合适的滤波器滤除。滤波器有有源滤波器也有无源滤波器。滤波器是在输出回路中并联或者串联若干电阻电容来实现的。该方法必须通过详细严谨的计算得出纹波频率特性，从而选出精确的阻值和容值。该方法虽然简单，但是一旦电容失效，电阻失效或稍有不精确的地方，极有可能混入新的纹波或噪声，反而加大了输出纹波。并且该方法在小功率开关电源中可以考虑，如果是几十安培的大电流，几十瓦的大功率电源中，损耗是不容忽视，而且体积也会随之增大。LC低通滤波器见图1。

　　

　　开关电源纹波的产生其中一个主要因素在于MOS管的开通关断。因此可以在MOSFET部分设计吸收开关尖峰脉冲的电路。开关尖峰吸收电路有多种。图2为LC吸收电路举例。该方法适用于MOSFET外置的拓扑结构，对于一些内置集成MOSFET的集成模块就无能为力。而且这种吸收电路同样也需要精确计算。

　　

　　双路并联叠加法与改进思路

　　大电流、大功率开关电源的纹波消除可以通过调整MOSFET上控制端PWM的频率，或采用多路叠加的思路。通过调节开关管的控制端PWM的频率也可以实现输出纹波的控制，双路并联的基本思路也是在微调PWM的频率和占空比实现的，开关电源采用双路并联，双路同时提供输出功率，从概念上分为主电源与副电源。主电源有纹波，副电源也有纹波，但是如果使得两个电源占空比为50％，而且相位差180°时，在输出端让两者叠加就会使纹波大大减小，提高性能。如图3，图4所示。

　

　　DC1为主电源，DC2为副电源。当DC1开通时，电压电流上升，此时DC2关断。当DC2开通时，电压电流上升，DC1关断。令两者输出相位相差是180°。将输出结果相互叠加，就正好可以使输出纹波相互抵消，这就是双路并联的思路。但是由于负载波动，或者外部噪声因素使得主副电源相位发生变动，相差不再是180°时，反而会使文波幅值、频率加大。因此提出改进方法就是在主电源输出中取出纹波相位信号，将该信号反馈给副电源，让副电源及时纠正相位差，以保持两个电源相位差为180°。

　　仿真与实验结果

　　开关电源的纹波测试方法大致可分为两种，一种为电压信号，一种为电流信号。测试负载选用与半导体激光器相近的大功率二极管，测试二极管两端的电压信号。纹波电压是叠加在直流电压上的交流小信号，将示波器耦合模式调整为交流耦合，去除直流量的测量。在测试过程中要注意保护示波器探头，避免测试过程中受外界因素干扰。图5为反馈回路的电路图。从输出回路采集纹波信号，将纹波信号放大后反馈回时钟控制端以控制输出纹波相位。时钟的控制可以选取单片机产生PWM，使用单片机的好处在于可以编程实现控制方便简单，但是要采集信号必须采用A／D转换器；同时也可以使用专用的控制芯片，控制芯片控制精度高，响应速度快，但这些芯片成本往往比较高。

　　

　　输出回路中串联一个小电阻，电流纹波的变化可以从这个小电阻两端电压变化来体现，将这个电压通过差分放大器放大反馈回时钟控制端，使得时钟可以根据这个变化而适时调整两个电源的相位差。图6为双路并联以后的纹波波形，输出电压为12 V，纹波电压峰峰值为0．9 V。图7为加了反馈以后的纹波波形，输出电压为12 V，而纹波减小为0．4 V。实验结果表明这种带有反馈的双路并联电流源在纹波抑制方面具有一定效果。

　　

　　开关电源由于其自身结构必然会产生纹波，在各种应用环境中总是力求纹波无限小。基于电源成本，电路复杂程度，应用场合参数要求不同，各种纹波消除手段均有其优势。除此之外，在其他方面也可以采取各种措施，例如元器件的合理布局，接地技术，屏蔽技术，其他

　　开关电源拓扑结构等。随着对开关电源的不断探索，性能更高的电源技术必将会被开发出来。在驱动大功率半导体激光器当中，多路并联恒流源具有很高参考价值，本文所提出的纹波抑制方法是一种改进措施，并取得良好效果。