基于纹波注入滤波方案的超小纹波开关电源设计

摘要：各种电子设备的正常运行都离不开电源，电源的主要技术指标的优劣直接决定着整个电子设备的性能。例如，对于智能电能表电源来说，输出纹波就是一个尤为重要的指标。本文采用纹波注入滤波方案，设计了一款性价比高的超小纹波开关电源。

引言

　　对于同一款电源可以采用不同类型的滤波方案，至于哪种滤波方案更合适，需要综合考虑电源对输出纹波、体积、功耗、成本等指标的要求。本文将以基于LM5160的智能电能表电源为例，对比三种滤波方案，并采用纹波注入滤波方案实现超小纹波开关电源设计。

1 C型低通滤波方案

　　一款智能电能表电源的主要指标为：输入电压：Vin=24V(18V～30V);额定输出电压：Vo=12V;额定输出电流：Io=1.2A;纹波系数：r≤0.1%。我们选择基于TI(德州仪器)电源管理芯片LM5160的Sync-Buck(同步降压斩波器)方案，如图1所示。

　　对于Buck型开关电源(包括Sync-Buck型开关电源)来说，常见的滤波电路有以下两种：C型低通滤波电路和π型低通滤波电路。由于后者实际上是前者的扩展，因此接下来主要介绍前者。C型低通滤波电路其实就是电容滤波或等效的电容滤波，通常采用大容量电解电容。理论分析方面，本设计采用瓷片电容(其等效串联电阻ESR可以忽略)与电阻串联组合来替代电解电容，如图2所示。满载(Io=1.2A)时,输出纹波波形及开关节点(SW)波形如图3所示。由图3可知，开关节点波形是单周期的，说明整个开关电源系统运行良好，不过，输出纹波幅度较大(峰值达200mV)。

　　根据开关电源的工作原理可知，ESR(等纹串联电阻)是产生输出纹波的一个重要因素，那么减小ESR是否一定会降低输出纹波的幅度呢?理论上确实如此。然而，如果ESR降低到一定程度会带来其它问题。一个极端的例子是ESR直接减小到零，即采用瓷片电容滤波，相应的电路图如图4所示。满载(Io=1.2A)时,输出电压纹波波形及开关节点(SW)波形如图5所示。由图5可知，简单地减小ESR并未达到降低输出纹波幅度(幅值甚至超过200mV)的目的，而且开关节点波形不再具有单周期性，说明此时，开关电源系统已经无法稳定运行。

　　综合以上分析可知，C型低通滤波方案存在输出纹波大和系统可能不稳定的缺陷，有必要对其进行改进。

本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第56页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。