电源效率提升及纹波抑制技术研究

张洧川　王琳　何小鹏　陈杰　赵阳

【摘 要】仪控设备中，各型功能模块的供电需要通过电源模块来将工频交流电转换为其他功能模块所需直流电压，因此，电源作为交流-直流的能量转换单元，其效率直接影响了仪控设备整机的发热情况，进而影响包含了大量电子元器件的仪控设备的可靠性。同时，由于电源模块将给核测设备，过程测量设备等精密采集设备供电，其供电品质将极大影响这些设备的采集精度，传统的高效率开关电源技术将很大程度上恶化了电源品质，因此有必要在保证效率的同时兼顾电源模块的供电品质。本文结合相关应用需求，在充分调研的基础上，运用PFM调制技术，结合对应纹波抑制技术，对现有电源模块进行了改进，实现了满负载情况下效率60%->80%，纹波峰峰值<5mV的性能。

【关键词】开关电源;高效率;环路稳定性;PFM

中图分类号： TL36 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）16-0001-004

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.16.001

Research on Power Efficiency Improvement and Wave Supprssion Technology

ZHANG Wei-chuan WANG Lin HE Xiao-peng CHEN Jie ZHAO Yang

（China institute of nuclear power research and design，Chengdu Sichuan 610041，China）

【Abstract】In instrument and control equipment，the power supply of each functional module needs DC voltage converted from AC voltage accomplished by power module.Therefore，as an AC-DC energy conversion unit，the efficiency of power supply directly affects the heating condition of instrument and control equipment，and then affects the reliability of instrument and control equipment containing a large number of electronic components.At the same time，because the power supply module will supply power to nuclear testing equipment， process measuring equipment and other precision acquisition equipment，the quality of power supply will greatly affect the acquisition accuracy of these equipment.The traditional high-efficiency switching power supply technology will greatly deteriorate the quality of power supply，so it is necessary to ensure the efficiency while taking into account the power supply quality of power supply module.In this paper，the existing power supply module is improved by using PFM modulation technology and ripple suppression technology on the basis of full investigation.The efficiency of the power supply module is 60%->80% under full load， and the ripple peak value is less than 5mV.

【Key words】Switching power supply;High efficiency;Loop stability;PFM

1 概述

1.1 由電源热耗所引起发热现象

仪控设备中所有用电设备均需电源模块提供，有电源模块来实现输入电压与输出电压间不同电平的转换，同时，电源模块在转换过程中，会在模块中消耗一部分电能，并以热能形式释放，能量转换关系及效率含义如下式所示。

当电源模块的转换效率？浊较低时，耗散热能PDIS将不可避免地增大。同时，由于仪控设备内部到周围的热沉间存在热阻，耗散的热能与热阻，温升间的关系满足式3，因此耗散热能必将使得设备内部尤其是靠近电源插件的位置温度升高。

以某款仪控设备为例，设备中各插件的面板温度情况如表1所示，可以看出，靠近电源插件位置，由于电源插件热耗较高，靠近电源插件的区域温度明显偏高。

表1 某款仪控设备面板温度情况

本文针对该型仪控设备的电源模块进行了设计改进。

1.2 电源纹波及噪声现象

目前用于进行电平转换的电源主要可分为两大类：线性电源与开关电源，两者大致实现机理及优缺点如表2所示。

两者实现原理分别如图1和图2所示。

為了提升电源模块转换电能的效率，减少耗散热能量，目前设备内将交流电转为直流电的电源模块几乎都是开关电源。

然而如上所述，开关电源输出电压品质较差，为了给要求较高的场合供电，必须采用对应的纹波及噪声抑制措施。而同时实现高效率与高电源品质，也成为了电源模块设计的一大难题。

2 现有情况分析

2.1 需求分析

应用于仪控设备的开关电源模块需将220V/50Hz交流转换为+5V，﹢15V，-15V电压，并将这些直流电压进行输出。其中+5V路电源要求具备8A的负载电流能力（负载调整率<5%），﹢15V与-15V电压分别要求具备1A的带载能力（负载调整率<5%），同时，﹢15V与-15V电压输出还要具备低电源纹波特性，纹波峰峰值小于5mV。

2.2 已有电源模块情况分析

仪控设备要求电源模块可输出+5V，+15V，-15V电压，且可在满载情况下长期稳定工作，三路电压纹波峰峰值均小于5mV，然而其电源转换效率较低，模块发热较为严重。

2.3 原因分析

由于现有电源模块为定制电源模块，没有办法准确定位其低效率原因，结合其实测表现，将可能的原因罗列如下：

1）开关元件型号较老，开关损耗较高。

2）变压器为了降低纹波，对其分布参数进行了减弱噪声的优化，以减小输出纹波，但这一优化增加了变压器损耗。

3）后级多级RLC滤波在改善纹波幅值的同时，也消耗了部分能量。

4）采用固定频率的PWM模式，使得其轻载时效率较低。

对于可能的原因进行分析，认为开关元件为MOSFET，而该类元件已较为成熟;同时，电源模块若选用通用变压器，将不涉及优化变压器寄生参数而带来的噪声增加问题。若是变压器因此原因1和原因2所造成的影响不为主要考虑因素;因此，为了对其效率进行改进，主要应着眼于原因3及原因4。

3 改进措施

3.1 措施分析

针对原因4，为了改善电源模块在轻载条件下的效率，设计电源模块在轻载模式下切换为较低的开关频率，重载情况下使用较高的开关频率。这一模式的缺点在于所引入的电源纹波更高，且纹波频率分布范围广，抑制较为困难。

针对原因3，为了改善电源噪声及纹波，对目前常用的纹波抑制措施及对应优缺点进行调研，罗列如表3所示。

表3 常见纹波抑制措施及对应优缺点

综上所述，对纹波进行测试后发现，纹波主要以差模干扰为主，同时，为了确保电源模块效率，最后选择使用后级低压差线性电源抑制纹波的方式进行纹波抑制，由线性电源所引入的额外功率损耗满载时仅为0.4W左右，相较15W的满载输出功率而言，引入的额外损耗可忽略不计。

3.2 措施附带问题解决

施加线性电源对电源纹波进行抑制时，反馈环路简化示意图如图3所示。

可得传递函数如下式所示。

由巴特豪森判据可知，当环路满足以下条件时，将出现不稳定：

对线性电源电路进行小信号建模，得其环路小信号模型如图4所示。

分析的关键即在于分析是否存在一个频率的干扰信号，使得式5与式6所述的巴特豪森判据得到满足，进而引起环路振荡。提取环路中存在的零极点下式所述。

为了改善环路稳定性，主要对输出滤波电容CO，反馈补偿电容CF1，分压电阻R1，R2进行了优化，尽可能地提高相位裕量与增益裕量，改善环路稳定性。

将上述小信号模型在Matlab/Simulink中进行建模，使用零极点函数模型描述前向传递函数和反馈函数，并得到代入相关参数，如图5所示。

仿真结束后，绘出回路传递函数波特图，如图6所示。

由图6可知，相位裕度约为63°，反馈环路具备较高稳定性。

4 测试

4.1 电源效率测试

将老款电源模块和改进设计的电源模块同样接在1#机箱和2#机箱中进行测试，分别测试其转换效率情况，测得其转换效率对比情况如表4所示。

4.2 发热测试

在25℃室温对老款电源模块和改进设计的电源模块进行了对比测试，使用功率电阻为各路电源输出搭建负载，如表5所示。

在接通负载与电源稳定工作3～4小时后，使用热成像仪分别测量并记录霍威电源模块和新研电源模块前面板、盖板面、散热面和上面的发热情况。连续工作3～4小时后，老款电源模块和新研电源模块盒体的发热情况测量结果如表6所示。

新研电源模块相较老款电源模块在同等负载下连续长时间工作后的发热更低，盒体平均温度相差约10℃，可见新研电源模块在功耗和发热方面更具优势。

4.3 纹波抑制性能测试

使用示波器对施加纹波抑制电路前后的电源纹波进行测试，以+15V路为例，测试结果如图7所示。

（a）空载条件下+15V路输出电源纹波

（b）20欧负载条件下+15V路输出电源纹波

（c）经过纹波抑制电路后，空载条件下

+15V路输出电源纹波

（d）经过纹波抑制电路后，20欧负载条件下

+15V路输出电源纹波

由图7可得，施加纹波抑制电路后，电源在空载与带载情况下，电源纹波均满足峰峰值小于5mv的要求。由图中也可以看出，空载时电源开关频率由带载时的58KHz降为1KHz，以实现轻载时的效率最大化。

5 总结

通过PFM调制技术的应用与低损耗纹波抑制电路的采用，新研电源模块实现了效率的大幅提升与散热性能的大幅改善;同时，低压差线性电源纹波抑制电路的引入，在付出较小代价的情况下，实现了开关电源纹波的抑制功能，同时，针对低压差线性电源纹波抑制电路的稳定性问题，使用Matlab/Simulink函数进行了仿真，确保调整参数后的反馈环路稳定性良好。最后，通过实际测试，验证了改进设计的有效性。