升压型开关电源纹波抑制方法研究

许友平 吴骥志 章晓春 田金强

【摘 要】开关电源是电子设备的电压转换装置，由于其具备转换效率高、体积小、重量轻等特点，因此在航空机载设备等领域有着广泛应用。电源输出纹波大小是衡量电源输出品质的关键指标，本文介绍了升压型开关电源输出纹波的主要来源和具体纹波抑制措施。

【关键词】升压型开关电源；纹波抑制

中图分类号： TN86 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）24-0025-001

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.24.012

【Abstract】Switching Power Supply （SPS） is the voltage converter of electronic equipment and has been widely used in airborne equipment and other areas for its advantages such as high efficiency， small size and light weight. Since the output Ripple voltage is a key index to measure the output quality of power， the main source of output ripple voltage of Boost switching power supply and the methods of ripple rejection are studied in this paper.

【Key words】Boost switching power supply； Ripple rejection

0 引言

开关电源是利用现在电力电子技术开发的一种电压转换模块，相比传统的线性电源，开关电源具有转换效率高、体积小、重量轻等优势，在医疗机构、航空航天、科学研究等方面有着越来越广泛的应用。

开关电源一般通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），控制电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等）的“接通”和“关断”，进而对输入的直流电压进行脉冲调制，实现AC/DC或DC/DC电压变换。纹波是指叠加在直流稳定量上的交流分量，由于纹波可能会在用电设备上产生谐波，进而对用电设备产生较多危害，因此抑制开关电源的纹波是保证开关电源输出品质的关键工作，本文在研究国内外相关技术的基础上，阐述升压开关电源纹波产生的原因和抑制方法。

1 升压型开关电源原理

升压型开关电源的电路图如图1所示，当脉冲为高时，电子开关Q閉合，输入电压Vin经开关Q向电感L充电，电能被转化为磁场能进行存储，此时二极管D处于反向截止状态，因此电容C只能向负载RL供电，当脉冲为低时，开关Q断开，电感L周围的磁场减弱，同时在电感上感应出左负右正的反向电压Vk，此时二极管D处于正向导通状态，电感存储的磁场能又转化为电能，此时输出电压Vout为Vin与Vk之和，根据能量守恒原理，达到稳态时电感在开关闭合Ton期间积蓄的能量等于在开关断开Toff期间释放的能量，因此稳态时的输出电压Vout=（1+Ton/Toff）=Vin>Vin。

由于升压型开关电源的工作原理，使得其输出电压不可避免存在纹波，为降低输出纹波对后端负载的影响，需要对纹波进行抑制，首先分析升压型开关电源纹波产生的原因。

2 纹波产生原因

升压型开关电源产生的纹波与电源使用的电子开关特性、输入直流电压的纹波品质以及二极管导通时的串联谐振等因素有关。

对于开关电源本身，由于内部的电子开关器件不断“接通”与“关断”，所以电感中的电流会在输出电流的有效值上下进行波动，这种工作方式决定了开关电源的输出必然存在纹波；此外，电子开关器件“接通”与“关断”时存在一定的上升时间和下降时间，输出电压中还包含一部分由此产生的纹波。

升压型开关电源的输入直流电压通常是通过对交流电整流稳压得来，其本身即带有一定程度的纹波分量，因此输入直流电压的纹波品质也会影响开关电源的输出纹波[1]；当二极管恢复正向导通后，对于输入直流电压中频率等于回路谐振频率的纹波分量，还有可能会被放大，这取决于输出电压点对地的阻抗强度与整个回路的阻抗强度比，若强度比大于1，则会对输入直流的部分纹波分量产生放大。

3 纹波抑制方法

根据纹波产生的不同原因，可以采取不同的纹波抑制措施。考虑到电感中的电流变化越大，那么产生的纹波就越大，因此为抑制由于电流波动引起的输出纹波，可以通过减小电流变化的方法来降低纹波。对于电感而言，电感的大小反映的是对电流变化的抑制能力，因此可以通过增大电感大小抑制纹波；对于输出电容而言，电容越大，电感中的电流变化越小，因此同样可以通过增大电容大小抑制纹波[2]。

对于由于谐振产生的纹波放大问题，可以通过调整输出电压点对地的阻抗强度与整个回路的阻抗强度比，使其小于1，来抑制对输入纹波的放大作用。通常，阻抗强度比与回路电阻呈反比，与电感值大小成正比，因此增大回路电阻或者减小电感值大小均可以降低开关电源对输入纹波的增益，从而限制二极管导通时的输出纹波大小。

除了以上针对特定原因采取的纹波抑制方法以外，还可以通过在开关电源输出端设置二级滤波电路，从整体上控制输出的纹波水平。根据需要滤除的纹波频率，选择合适的电容和电阻构成滤波电路，通常会有比较好的效果，不过这种方法需要经过严谨的计算得到纹波的频率特性，从而选出准确的电容值和电阻值，如果存在不匹配，还有可能会引入新的纹波，反而增大输出纹波[3]。

针对大电流、大功率的升压型开关电源，还可以采取多路电源叠加降低输出纹波，该方法使用双路开关电源，通过控制电路控制双路电源的调制脉冲始终保持180°相位差，然后对电路输出进行叠加，从而抵消一定的纹波分量，使得输出纹波得到有效地抑制[3]，但是该方法需要用到双路电源，成本较高，而且需要设计专门的控制电路，在安装空间较小和重量限制较高的场合不宜使用。

在具体设计中，往往结合使用上述纹波抑制方法，兼顾不同的纹波来源，确定电路中的元器件参数，达到最终满意的效果。

4 总结

本文研究了升压型开关电源的原理，对升压型开关电路输出的纹波来源进行了分析，针对不同的纹波来源对纹波抑制的方法进行研究，在实际应用中应根据设计要求、周期和成本，选择合适的纹波抑制方法，保证电源的输出纹波满足负载设备的要求。

【参考文献】

[1]吴凌云，李瑞正.关于开关电源纹波抑制的技术要求及措施[J].数字技术与应用，2011.

[2]张兵，白雪.抑制开关电源纹波的研究[J].黑龙江科技信息，2011.

[3]方宇杰，苏秉华，等.开关电源纹波抑制研究[J].现代电子技术，2012.