开关电源纹波抑制研究

摘要：提出开关电源纹波的定义，分析开关电源纹波产生的原因，并提出几种抑制纹波的方法。最后针对一款特殊开关电源，论述了开关电源的输出稳定性问题。该电源输出电流为10 A，输出电压为12 V，主要用于驱动半导体激光器。为减小输出电流纹波，提高激光功率稳定性，研究分析了几种抑制纹波的方法，包括滤波法，多路叠加法等。该电源的设计采用主、副电源的思路，从主电源采集纹波信号反馈给副电源的控制端，从而使主副电源输出叠加后保持较小的输出纹波。通过实验验证该方法可以使纹波系数保持在1％，使得性能有所提高。
关键词：开关电源；纹波抑制；反馈控制；半导体激光器

0 引言
近年来，开关电源以其体积小，重量轻，效率高等优点，在工程领域、医疗机构、科学研究等方面有着越来越广泛的应用。本文着重解决一款能输出10 A电流12V电压的特殊恒流源的纹波抑制问题，专门用于大功率的半导体激光器驱动。该激光器需求高稳定的光功率输出，激光器输出光功率的稳定性是一个主要参数，半导体激光器的光功率稳定性主要表现在输入电流的稳定性，输入电流的纹波越小光功率稳定性越好。目前，解决开关电源纹波的方法有若干种，各有其优缺点，由于输出电流是10 A的大电流，一般的方法不能适用。本文通过对比滤波法提出双路并联法，旨在大电流情况下进一步减小电流输出纹波。

1 纹波产生原因分析
通常开关电源把电网提供的交流电经过整流滤波转变为直流电，开关管的高速开通和关断，就会引起输出电压的波动，在输出回路中的快恢复二极管和电感也会引起输出电压的波动。这些高频低频的波动总和就形成了输出的纹波，包括电压纹波和电流纹波。
开关电源中纹波的来源有很多原因，其中MOS管开通关断所产生的纹波是主要原因之一。当开关管开通关断时都会有一个上升时间和下降时间，这时就会在电路中引起一个同频率的噪声。输出回路上的电感也会随着充电放电产生一个噪声，同时也会有漏感产生。在导线与导线之间，元器件的引脚之间还会存在各种寄生电感，这些寄生电感会遵循如下公式产生变化。
U=-Ldi／dt
从该公式可以看出电感两端一旦有电流发生变化就会使得电感两端的电压发生变化，因此电路板上元器件的布局以及走线方法都会影响电路的性能。这些影响因素就是纹波产生的根源。开关电源的纹波一直以来都是一个重要的参数，尤其是应用半导体激光器的场合，都应力求输出电压电流的稳定。

2 纹波抑制方法
2．1 滤波法
滤波法是最容易的方法之一，因为输出有纹波，那么设计就一个合适的滤波器滤除。滤波器有有源滤波器也有无源滤波器。滤波器是在输出回路中并联或者串联若干电阻电容来实现的。该方法必须通过详细严谨的计算得出纹波频率特性，从而选出精确的阻值和容值。该方法虽然简单，但是一旦电容失效，电阻失效或稍有不精确的地方，极有可能混入新的纹波或噪声，反而加大了输出纹波。并且该方法在小功率开关电源中可以考虑，如果是几十安培的大电流，几十瓦的大功率电源中，损耗是不容忽视，而且体积也会随之增大。LC低通滤波器见图1。

开关电源纹波的产生其中一个主要因素在于MOS管的开通关断。因此可以在MOSFET部分设计吸收开关尖峰脉冲的电路。开关尖峰吸收电路有多种。图2为LC吸收电路举例。该方法适用于MOSFET外置的拓扑结构，对于一些内置集成MOSFET的集成模块就无能为力。而且这种吸收电路同样也需要精确计算。

2．2 双路并联叠加法与改进思路
大电流、大功率开关电源的纹波消除可以通过调整MOSFET上控制端PWM的频率，或采用多路叠加的思路。通过调节开关管的控制端PWM的频率也可以实现输出纹波的控制，双路并联的基本思路也是在微调PWM的频率和占空比实现的，开关电源采用双路并联，双路同时提供输出功率，从概念上分为主电源与副电源。主电源有纹波，副电源也有纹波，但是如果使得两个电源占空比为50％，而且相位差180°时，在输出端让两者叠加就会使纹波大大减小，提高性能。如图3，图4所示。

DC1为主电源，DC2为副电源。当DC1开通时，电压电流上升，此时DC2关断。当DC2开通时，电压电流上升，DC1关断。令两者输出相位相差是180°。将输出结果相互叠加，就正好可以使输出纹波相互抵消，这就是双路并联的思路。但是由于负载波动，或者外部噪声因素使得主副电源相位发生变动，相差不再是180°时，反而会使文波幅值、频率加大。因此提出改进方法就是在主电源输出中取出纹波相位信号，将该信号反馈给副电源，让副电源及时纠正相位差，以保持两个电源相位差为180°。

3 仿真与实验结果
开关电源的纹波测试方法大致可分为两种，一种为电压信号，一种为电流信号。测试负载选用与半导体激光器相近的大功率二极管，测试二极管两端的电压信号。纹波电压是叠加在直流电压上的交流小信号，将示波器耦合模式调整为交流耦合，去除直流量的测量。在测试过程中要注意保护示波器探头，避免测试过程中受外界因素干扰。图5为反馈回路的电路图。从输出回路采集纹波信号，将纹波信号放大后反馈回时钟控制端以控制输出纹波相位。时钟的控制可以选取单片机产生PWM，使用单片机的好处在于可以编程实现控制方便简单，但是要采集信号必须采用A／D转换器；同时也可以使用专用的控制芯片，控制芯片控制精度高，响应速度快，但这些芯片成本往往比较高。

输出回路中串联一个小电阻，电流纹波的变化可以从这个小电阻两端电压变化来体现，将这个电压通过差分放大器放大反馈回时钟控制端，使得时钟可以根据这个变化而适时调整两个电源的相位差。图6为双路并联以后的纹波波形，输出电压为12 V，纹波电压峰峰值为0．9 V。图7为加了反馈以后的纹波波形，输出电压为12 V，而纹波减小为0．4 V。实验结果表明这种带有反馈的双路并联电流源在纹波抑制方面具有一定效果。

4 结语
开关电源由于其自身结构必然会产生纹波，在各种应用环境中总是力求纹波无限小。基于电源成本，电路复杂程度，应用场合参数要求不同，各种纹波消除手段均有其优势。除此之外，在其他方面也可以采取各种措施，例如元器件的合理布局，接地技术，屏蔽技术，其他
开关电源拓扑结构等。随着对开关电源的不断探索，性能更高的电源技术必将会被开发出来。在驱动大功率半导体激光器当中，多路并联恒流源具有很高参考价值，本文所提出的纹波抑制方法是一种改进措施，并取得良好效果。