基于紋波注入濾波方案的超小紋波開關(guān)電源設(shè)計

摘要：各種電子設(shè)備的正常運行都離不開電源，電源的主要技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣直接決定著整個電子設(shè)備的性能。例如，對于智能電能表電源來說，輸出紋波就是一個尤為重要的指標(biāo)。本文采用紋波注入濾波方案，設(shè)計了一款性價比高的超小紋波開關(guān)電源。

引言

　　對于同一款電源可以采用不同類型的濾波方案，至于哪種濾波方案更合適，需要綜合考慮電源對輸出紋波、體積、功耗、成本等指標(biāo)的要求。本文將以基于LM5160的智能電能表電源為例，對比三種濾波方案，并采用紋波注入濾波方案實現(xiàn)超小紋波開關(guān)電源設(shè)計。

1 C型低通濾波方案

　　一款智能電能表電源的主要指標(biāo)為：輸入電壓：Vin=24V(18V～30V);額定輸出電壓：Vo=12V;額定輸出電流：Io=1.2A;紋波系數(shù)：r≤0.1%。我們選擇基于TI(德州儀器)電源管理芯片LM5160的Sync-Buck(同步降壓斬波器)方案，如圖1所示。

　　對于Buck型開關(guān)電源(包括Sync-Buck型開關(guān)電源)來說，常見的濾波電路有以下兩種：C型低通濾波電路和π型低通濾波電路。由于后者實際上是前者的擴展，因此接下來主要介紹前者。C型低通濾波電路其實就是電容濾波或等效的電容濾波，通常采用大容量電解電容。理論分析方面，本設(shè)計采用瓷片電容(其等效串聯(lián)電阻ESR可以忽略)與電阻串聯(lián)組合來替代電解電容，如圖2所示。滿載(Io=1.2A)時,輸出紋波波形及開關(guān)節(jié)點(SW)波形如圖3所示。由圖3可知，開關(guān)節(jié)點波形是單周期的，說明整個開關(guān)電源系統(tǒng)運行良好，不過，輸出紋波幅度較大(峰值達(dá)200mV)。

　　根據(jù)開關(guān)電源的工作原理可知，ESR(等紋串聯(lián)電阻)是產(chǎn)生輸出紋波的一個重要因素，那么減小ESR是否一定會降低輸出紋波的幅度呢?理論上確實如此。然而，如果ESR降低到一定程度會帶來其它問題。一個極端的例子是ESR直接減小到零，即采用瓷片電容濾波，相應(yīng)的電路圖如圖4所示。滿載(Io=1.2A)時,輸出電壓紋波波形及開關(guān)節(jié)點(SW)波形如圖5所示。由圖5可知，簡單地減小ESR并未達(dá)到降低輸出紋波幅度(幅值甚至超過200mV)的目的，而且開關(guān)節(jié)點波形不再具有單周期性，說明此時，開關(guān)電源系統(tǒng)已經(jīng)無法穩(wěn)定運行。

　　綜合以上分析可知，C型低通濾波方案存在輸出紋波大和系統(tǒng)可能不穩(wěn)定的缺陷，有必要對其進(jìn)行改進(jìn)。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第56頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。