基于紋波注入濾波方案的超小紋波開關電源設計

2 紋波耦合濾波方案

　　由圖2可知，連接FB的分壓電路(R12和R15)，用來設定直流輸出電壓Vo，與此同時,有用的交流控制信號也被分壓。因此，為了讓開關電源工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，不得不加大ESR(見圖2中R30)，從而造成輸出紋波較大。由此可知，若分壓電路只對直流信號分壓，而不對交流信號分壓，則在開關電源穩(wěn)定運行的前提下，可以成比例地減小ESR，從而降低輸出紋波。相應的電路圖(本文稱之為紋波耦合濾波電路)如圖6所示。

　　參數(shù)計算如下：應使C32在開關頻率處的阻抗小于R12阻值的十分之一(即)，并適當調(diào)試;ESR按照分壓比減小(即)，并選擇接近的標稱阻值。

　　滿載(Io=1.2A)時，輸出電壓紋波波形及開關節(jié)點(SW)的波形如圖7所示。由圖7可知，采用交流耦合濾波電路，開關電源仍然可以穩(wěn)定運行且輸出紋波幅值大大降低(峰值由200mV降到了90mV)。

　　我們知道，ESR是產(chǎn)生輸出紋波的重要因素，因此，若對電路進行改進，讓ESR不出現(xiàn)在輸出電路中，理論上就能夠減小輸出紋波，相應的電路如圖8所示，對應的輸出紋波波形如圖9所示。

　　由圖9可知，采用交流耦合濾波電路瓷片電容直接輸出時，輸出紋波電壓幅值進一步降低(峰值由90mV降到16mV)。當然，此時，ESR依然串聯(lián)在電路中，存在功耗大的缺點，仍有進一步改進的必要。

3 紋波注入濾波方案

　　由開關電源的工作原理可知，系統(tǒng)穩(wěn)定運行需要反饋電壓(VFB)同步于電感電流的變化，并且反饋電壓的變化量必須大于反饋節(jié)點出現(xiàn)的噪聲。仔細分析C型濾波電路和紋波耦合濾波電路后發(fā)現(xiàn)，開關電源的輸出紋波包括兩個部分：容性紋波(電感電流對輸出電容充放電引起的紋波)和阻性紋波(輸出電容的等效串聯(lián)電阻ESR引起的紋波)。由于容性紋波跟電感電流不同步(滯后于電感電流90度)，而阻性紋波同步于電感電流，因此，要使開關電源穩(wěn)定運行，阻性紋波必須大于容性紋波。由此可以想到，若能人為地產(chǎn)生一個同步于電感電流的阻性紋波，并將其引入到電壓反饋引腳FB，則無須ESR產(chǎn)生的阻性紋波，也能讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行，從而輸出紋波中只有容性紋波成分。這就是紋波注入濾波方案，如圖10所示。

　　由圖10可知，R11和C26組成了一個三角波發(fā)生器，并通過C31將期望的“阻性紋波”信號注入電壓反饋引腳FB。這一信號同步于電感電流，將其注入FB端，會讓電源芯片內(nèi)部控制電路“誤以為”是輸出濾波電容的ESR產(chǎn)生的有用信號，可以“以假亂真”。從而輸出電容不再需要ESR，達到減小輸出紋波的目的。

　　C26、R11和C31的計算過程如下：在開關頻率(Fsw=250kHz)處，積分電容(C26)的阻抗應遠小于分壓電阻的阻抗(R_FB=R12//R15)，即;產(chǎn)生期望紋波的電感電流I滿足，從而可得積分電阻;耦合電容C31取數(shù)倍于C26。以上數(shù)值并不是硬性的要求，根據(jù)調(diào)試情況，可適當調(diào)整。

　　對應的輸出紋波波形及開關節(jié)點波形如圖11所示。由圖11可知，紋波注入濾波電路所得到的輸出紋波幅度已經(jīng)減小到了8mV，對應的紋波系數(shù)可以小到萬分之五以下，滿足了智能電能表電源對紋波系數(shù)的設計要求(r<0.1%)。事實上，若再加大輸出瓷片電容并考慮到測試方法等因素，紋波系數(shù)完全可以達到萬分之一以下。

　　相對于C型濾波電路和紋波耦合濾波電路，紋波注入濾波電路雖然結構略微復雜、參數(shù)計算稍顯繁瑣，然而其具有前兩種濾波電路無法比擬的優(yōu)勢：

　　1)濾波效果相當好，紋波系數(shù)可以達到萬分之一以下;

　　2)不必考慮ESR的問題，輸出濾波電容選型更簡單;

　　3)不必采用電解電容，減小了開關電源的體積，降低了開關電源的溫升，有利于提高開關電源的壽命。

4 設計總結

　　綜上所述，C型濾波方案、紋波耦合濾波方案和紋波注入濾波方案各具特點，就設計超小紋波開關電源來說，紋波注入濾波方案的性價比更高。另外，本設計所采用的紋波注入濾波方案雖然是以LM5160為例實現(xiàn)的，實際上，這一濾波方案對電源芯片沒有特殊的要求，原則上適用于所有的降壓斬波型電源芯片?？傊y波注入濾波方案電路是一種通用性強、濾波效果好、性價比高的濾波方案，可以輕松設計出超小紋波開關電源。

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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。