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基于电源模块的低噪声二次电源模拟电路设计

作者:广州市爱浦电子来源:原创 日期:2017年10月17日 17:17

引言
        模拟电子技术作为一门入门性质的技术基础课,其内容与后续的大量专业课都直接关联,因此各理工类院校所有涉及电类的专业都将其作为后续专业课的重要基础课。但由于模电课程本身所具有的课程特点,初学者在刚开始接触这门课程时常会感到枯燥、抽象,难以入手。所以本文将实际工程项目引入到课程的教学当中,很好地解决了理论教学与实际动手相脱节的老大难问题,使得学生的学习兴趣和学习效率都大为提高。


1 项目设计过程
        基于电源模块的低噪声二次电源设计通常分为以下几个部分:浪涌抑制,输入共模、差模滤波以及输出共模、差模滤波等。下面将进行具体介绍:


1. 1 浪涌抑制电路
        浪涌电流( Inrush Current ) 是当一个电源开启时产生的尖峰电流( Spike of Current )。由于EMI 滤波器输入线路端包含了一些电容,同样DC- DC转换器在输入和输出端也含有电容,负载端还有可能含有其它的附加电容,浪涌就是由这些电容充电引起的。图1 是一个典型的浪涌电流波形,它有两个尖峰,第一个“浪涌尖峰”的电流峰值是输入电压电源( I nput Voltage Source) 启动时产生的,而第二个电流峰值则是DC-DC转换器启动时产生的。
本文设计浪涌抑制采用了图2 的方法。这个电路在电源端负极使用一个MOS场效应管(MOSFET) 器件Q1。其具体工作过程为:Q1 通过R2 拉低其门限电压,通常它是断开的。当施加输入电压时,通过R1 为栅极充电,Q1 的充电时间和开启时间将由于C1的存在而减慢,可以选用R1 和C1 来为输入电容缓慢充电来限制浪涌电流。在输入电容充好电后,Q1 栅极将会充电,直至被齐纳稳压二极管( zene r ) 限制,然后Q1 将保持完全开启。这样,就完成了浪涌的抑制。

 
 
1. 2 输入滤波器设计
        输入滤波器包括共模滤波和差模滤波两部分,如图3 所示。因为DC- DC转换模块一般先把直流转换为高频交流,再把高频交流转换为稳定直流,所以在这期间容易形成各种噪声,在输入端表现为传导噪声和辐射噪声。输入滤波电路的主要作用是减小输入噪声,阻止二次电源向输入电源反馈的噪声。输入滤波器一般由共态扼流圈Ll 、跨接线路电容C1、C4 以及线路高通滤波电容C2、C3 组成。

 
        其中,L1 用于滤除低频共模噪声,它的磁芯一般采用高频铁氧体磁性材料。由于铁氧体磁性材料没有涡流的影响,高频率仍能保持较高的导磁率。但是,它的缺点是弱磁场容易饱和。所以,L1 在绕制时采用双线并绕的方式,即在一个闭合磁路的磁芯上绕制相同电感量的两个绕阻,电源电流经两个绕阻产生相反磁通,相互抵消,防止磁芯饱和。对于共模噪声,互感系数产生的磁通相互增强,即电感量增强,这样能很好的抑制共模噪声。L1的共模扼流圈的电感量一般由所要抑制的噪声电平的下限频率( DC-DC转换模块的基波频率) 确定,下限频率越高,所需的电感量就越小。
跨接线路电容C1、C4 主要用于滤除差模噪声。C4 一般选取0. 1 ~ 1.0uF的低阻抗无极性瓷片电容。C1 除滤波作用外,当输入电压由于某种原因出现瞬间跌落或浪涌时,也为二次电源提供一定时间的维持电压。C1 一般选择等效串联电阻较低的电解电容。该电容的耐压应大于1. 3 倍的最大输入电压,最小容量则由公式( 1) 估算:
 
        线路高通滤波电容C2、C3 用于滤除高频共模和差模噪声。需要采用等效串联电感(ESL) 值较小的高压两端子或三端子电容。三端子电容器的滤波效果非常好,原因是电容的高电位端接有输入、输出两根引线,高电位端有剩余电感,此电感作为T 型低通滤波器的电感,可有效利用它作为滤波元件。另外,为了更好的发挥作用,C2、C3 最好放在紧靠DC- DC转换模块的电压输入端。


1. 3 输出滤波器设计
        二次电源的输出滤波器和输入滤波器基本一致,主要是滤除共模噪声和差模噪声,如图4 所示:
 
        值得一提的是,实际工程项目要求输出纹波比较小,采取以上滤波电路一般不能满足要求。为了满足低纹波的要求,一般将输出滤波电路设计为两级滤波,电路原理如图5 所示:
        两级滤波电路整流到输出的传递函数如式(2) 所示:

        其中,L1、L2为电感L2、L3 的电感值,C1、C2为电容C1、C2的电容值,而一级滤波电路整流到输出的传递函数如式( 3) 所示:
 
        改为两级滤波后传递函数由两阶变为四阶,合理的对电感和电容进行取值,在保证系统稳定的情况下使纹波衰减更大。


1. 4 进一步降低电源噪声的方法
        采取了2. 1-2. 3 节的降噪措施对于一般应用就可以满足要求,但是,要将电源系统用于超低噪声系统,设计上还要进一步采取降低噪声的措施和方法。
        对于DC-DC电源变换器,超低噪声的实现是通过在DC-DC模块的输入端和输出端各加一个绕线磁芯,其结构如图6 所示,特别当DC-DC模块输出端到负载的距离较长时,这种结构降噪效果更好。差模滤波器的设计是使用绕线磁芯的漏电感原理来实现,而共模滤波器则是输入绕线磁芯结合并联电容来实现的,用于在输入端来削弱共模输入噪声。它首先经过一个作为电容分压器的陶瓷旁路电容后,再经过第二级中间绕组电容。其次,绕线磁芯可以看作一个伴随寄生电容一起工作的高频共模滤波器。另外,绕线磁芯的设计材料应使用磁导率相对较高的铁氧体磁芯,一般磁导率在5000 左右比较合适,这方面有比较成熟的相关产品可供选择。因为高的磁导率可以使用较少的绕线来实现较高的共模感应系数,从而减少铜耗、分布电容和磁芯体积。
对于图6 结构的等效电感的计算可以按照公式(4) 进行,因为磁芯的绕线匝数上下是一致的,即N=N1=N2,这样,计算等效共模电感的公式如式( 4) 所示:
 
        其中,μ表示磁导率增量,A表示切面面积; 表示磁芯的平均周长;N是匝数;Le是漏电感。
 
        经过对绕线磁芯的分析,我们设计了如图7 所示的加了输入输出滤波器的电源系统,这里的滤波器是由绕线磁芯结合滤波电容构成的。在输入端,绕线磁芯T1 结合陶瓷旁路电容来削弱共模输入电流。并联电容C3、C4 和C5、C6 可以抵消绕线磁芯的漏电感的影响,更好的滤除差模噪声。绕线磁芯T1、T2 分别绕制在高磁导率的磁芯上,而且上下各绕制180 度。为了在差模滤波时发挥更好的高频特性,并联电容由一个钽电容和一个陶瓷电容并联组成,由于小电容量的瓷片电容共振频率会比大电容量的瓷片电容共振频率高很多,因此,旁路电容的电容值不能选的太大。
本设计综合运用了以上章节介绍的电源降噪技术,很好的去除了电源纹波对成像系统的干扰,最终的电源纹波常温空载下控制在40mVp-p 左右。


2 项目体现的知识点

        通过该项目的完成,使学生更加深刻的理解了模拟信号和数字信号的特点,晶体三极管的工作原理,晶体三极管的特性曲线及主要参数;各种场效应管的工作原理、特性曲线和主要参数,三极管放大电路的组成及性能指标;放大电路的静态工作点Q的确定与电路元件参数的关系,Q点的确立对放大电路非线性失真的影响,最大不失真输出电压的计算;单级放大器的频率响应(低频响应与高频响应,影响高、低频响应的主要因素,幅频响应曲线与相频响应曲线,上、下限频率及通频带的概念,幅频响应的波特图);理解基本串连型稳压电路原理,掌握串联型稳压电路输出电压的估算方法,掌握三端集成稳压器的应用等知识。
同时熟练掌握了示波器、万用表、直流电源和电烙铁等仪器设备的使用,提高了动手的能力。


3 结束语
        模拟电子技术是工科院校一门重要的专业基础课,通过该课程的学习,可以使学生在学习其它专业技术课程时更加轻松自如。本文从模拟电子技术的实际情况出发,将难度适中的实际工程项目引入教学当中,使学生在做好项目的同时,对书本上的理论知识的掌握更加透彻,对将来分析和处理各种实际问题更加得心应手。从应用该方法的结果来看,教学效果比较明显,不但提高了学生综合实验技能,还开发了学生的创新能力,是一次有益的教学尝试。

 

 

 

 


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