基于電源模塊的低噪聲二次電源模擬電路設(shè)計(jì)

引言

模擬電子技術(shù)作為一門入門性質(zhì)的技術(shù)基礎(chǔ)課，其內(nèi)容與后續(xù)的大量專業(yè)課都直接關(guān)聯(lián)，因此各理工類院校所有涉及電類的專業(yè)都將其作為后續(xù)專業(yè)課的重要基礎(chǔ)課。但由于模電課程本身所具有的課程特點(diǎn)，初學(xué)者在剛開始接觸這門課程時(shí)常會(huì)感到枯燥、抽象，難以入手。所以本文將實(shí)際工程項(xiàng)目引入到課程的教學(xué)當(dāng)中，很好地解決了理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手相脫節(jié)的老大難問(wèn)題，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率都大為提高。

1 項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程

基于電源模塊的低噪聲二次電源設(shè)計(jì)通常分為以下幾個(gè)部分：浪涌抑制，輸入共模、差模濾波以及輸出共模、差模濾波等。下面將進(jìn)行具體介紹：

1. 1 浪涌抑制電路

浪涌電流( Inrush Current ) 是當(dāng)一個(gè)電源開啟時(shí)產(chǎn)生的尖峰電流( Spike of Current )。由于EMI 濾波器輸入線路端包含了一些電容，同樣DC- DC轉(zhuǎn)換器在輸入和輸出端也含有電容，負(fù)載端還有可能含有其它的附加電容，浪涌就是由這些電容充電引起的。圖1 是一個(gè)典型的浪涌電流波形，它有兩個(gè)尖峰，第一個(gè)“浪涌尖峰”的電流峰值是輸入電壓電源( I nput Voltage Source) 啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的，而第二個(gè)電流峰值則是DC-DC轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的。

本文設(shè)計(jì)浪涌抑制采用了圖2 的方法。這個(gè)電路在電源端負(fù)極使用一個(gè)MOS場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET) 器件Q1。其具體工作過(guò)程為：Q1 通過(guò)R2 拉低其門限電壓，通常它是斷開的。當(dāng)施加輸入電壓時(shí)，通過(guò)R1 為柵極充電，Q1 的充電時(shí)間和開啟時(shí)間將由于C1的存在而減慢，可以選用R1 和C1 來(lái)為輸入電容緩慢充電來(lái)限制浪涌電流。在輸入電容充好電后，Q1 柵極將會(huì)充電，直至被齊納穩(wěn)壓二極管( zene r ) 限制，然后Q1 將保持完全開啟。這樣，就完成了浪涌的抑制。

1. 2 輸入濾波器設(shè)計(jì)

輸入濾波器包括共模濾波和差模濾波兩部分，如圖3 所示。因?yàn)镈C- DC轉(zhuǎn)換模塊一般先把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，再把高頻交流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定直流，所以在這期間容易形成各種噪聲，在輸入端表現(xiàn)為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲。輸入濾波電路的主要作用是減小輸入噪聲，阻止二次電源向輸入電源反饋的噪聲。輸入濾波器一般由共態(tài)扼流圈Ll 、跨接線路電容C1、C4 以及線路高通濾波電容C2、C3 組成。

其中，L1 用于濾除低頻共模噪聲，它的磁芯一般采用高頻鐵氧體磁性材料。由于鐵氧體磁性材料沒(méi)有渦流的影響，高頻率仍能保持較高的導(dǎo)磁率。但是，它的缺點(diǎn)是弱磁場(chǎng)容易飽和。所以，L1 在繞制時(shí)采用雙線并繞的方式，即在一個(gè)閉合磁路的磁芯上繞制相同電感量的兩個(gè)繞阻，電源電流經(jīng)兩個(gè)繞阻產(chǎn)生相反磁通，相互抵消，防止磁芯飽和。對(duì)于共模噪聲，互感系數(shù)產(chǎn)生的磁通相互增強(qiáng)，即電感量增強(qiáng)，這樣能很好的抑制共模噪聲。L1的共模扼流圈的電感量一般由所要抑制的噪聲電平的下限頻率( DC-DC轉(zhuǎn)換模塊的基波頻率) 確定，下限頻率越高，所需的電感量就越小。

跨接線路電容C1、C4 主要用于濾除差模噪聲。C4 一般選取0. 1 ～ 1.0uF的低阻抗無(wú)極性瓷片電容。C1 除濾波作用外，當(dāng)輸入電壓由于某種原因出現(xiàn)瞬間跌落或浪涌時(shí)，也為二次電源提供一定時(shí)間的維持電壓。C1 一般選擇等效串聯(lián)電阻較低的電解電容。該電容的耐壓應(yīng)大于1. 3 倍的最大輸入電壓，最小容量則由公式( 1) 估算：

線路高通濾波電容C2、C3 用于濾除高頻共模和差模噪聲。需要采用等效串聯(lián)電感(ESL) 值較小的高壓兩端子或三端子電容。三端子電容器的濾波效果非常好，原因是電容的高電位端接有輸入、輸出兩根引線，高電位端有剩余電感，此電感作為T 型低通濾波器的電感，可有效利用它作為濾波元件。另外，為了更好的發(fā)揮作用，C2、C3 最好放在緊靠DC- DC轉(zhuǎn)換模塊的電壓輸入端。

1. 3 輸出濾波器設(shè)計(jì)

二次電源的輸出濾波器和輸入濾波器基本一致，主要是濾除共模噪聲和差模噪聲，如圖4 所示：

值得一提的是，實(shí)際工程項(xiàng)目要求輸出紋波比較小，采取以上濾波電路一般不能滿足要求。為了滿足低紋波的要求，一般將輸出濾波電路設(shè)計(jì)為兩級(jí)濾波，電路原理如圖5 所示：

兩級(jí)濾波電路整流到輸出的傳遞函數(shù)如式(2) 所示：

其中，L1、L2為電感L2、L3 的電感值，C1、C2為電容C1、C2的電容值，而一級(jí)濾波電路整流到輸出的傳遞函數(shù)如式( 3) 所示:

改為兩級(jí)濾波后傳遞函數(shù)由兩階變?yōu)樗碾A，合理的對(duì)電感和電容進(jìn)行取值，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下使紋波衰減更大。

1. 4 進(jìn)一步降低電源噪聲的方法

采取了2. 1-2. 3 節(jié)的降噪措施對(duì)于一般應(yīng)用就可以滿足要求，但是，要將電源系統(tǒng)用于超低噪聲系統(tǒng)，設(shè)計(jì)上還要進(jìn)一步采取降低噪聲的措施和方法。

對(duì)于DC-DC電源變換器，超低噪聲的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)在DC-DC模塊的輸入端和輸出端各加一個(gè)繞線磁芯，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示，特別當(dāng)DC-DC模塊輸出端到負(fù)載的距離較長(zhǎng)時(shí)，這種結(jié)構(gòu)降噪效果更好。差模濾波器的設(shè)計(jì)是使用繞線磁芯的漏電感原理來(lái)實(shí)現(xiàn)，而共模濾波器則是輸入繞線磁芯結(jié)合并聯(lián)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)的，用于在輸入端來(lái)削弱共模輸入噪聲。它首先經(jīng)過(guò)一個(gè)作為電容分壓器的陶瓷旁路電容后，再經(jīng)過(guò)第二級(jí)中間繞組電容。其次，繞線磁芯可以看作一個(gè)伴隨寄生電容一起工作的高頻共模濾波器。另外，繞線磁芯的設(shè)計(jì)材料應(yīng)使用磁導(dǎo)率相對(duì)較高的鐵氧體磁芯，一般磁導(dǎo)率在5000 左右比較合適，這方面有比較成熟的相關(guān)產(chǎn)品可供選擇。因?yàn)楦叩拇艑?dǎo)率可以使用較少的繞線來(lái)實(shí)現(xiàn)較高的共模感應(yīng)系數(shù)，從而減少銅耗、分布電容和磁芯體積。

對(duì)于圖6 結(jié)構(gòu)的等效電感的計(jì)算可以按照公式(4) 進(jìn)行，因?yàn)榇判镜睦@線匝數(shù)上下是一致的，即N=N1=N2，這樣，計(jì)算等效共模電感的公式如式( 4) 所示：

其中，μ表示磁導(dǎo)率增量，A表示切面面積；表示磁芯的平均周長(zhǎng)；N是匝數(shù)；是漏電感。

經(jīng)過(guò)對(duì)繞線磁芯的分析，我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖7 所示的加了輸入輸出濾波器的電源系統(tǒng)，這里的濾波器是由繞線磁芯結(jié)合濾波電容構(gòu)成的。在輸入端，繞線磁芯T1 結(jié)合陶瓷旁路電容來(lái)削弱共模輸入電流。并聯(lián)電容C3、C4 和C5、C6 可以抵消繞線磁芯的漏電感的影響，更好的濾除差模噪聲。繞線磁芯T1、T2 分別繞制在高磁導(dǎo)率的磁芯上，而且上下各繞制180 度。為了在差模濾波時(shí)發(fā)揮更好的高頻特性，并聯(lián)電容由一個(gè)鉭電容和一個(gè)陶瓷電容并聯(lián)組成，由于小電容量的瓷片電容共振頻率會(huì)比大電容量的瓷片電容共振頻率高很多，因此，旁路電容的電容值不能選的太大。

本設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用了以上章節(jié)介紹的電源降噪技術(shù)，很好的去除了電源紋波對(duì)成像系統(tǒng)的干擾，最終的電源紋波常溫空載下控制在40mVp-p 左右。

2 項(xiàng)目體現(xiàn)的知識(shí)點(diǎn)

通過(guò)該項(xiàng)目的完成，使學(xué)生更加深刻的理解了模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的特點(diǎn)，晶體三極管的工作原理，晶體三極管的特性曲線及主要參數(shù)；各種場(chǎng)效應(yīng)管的工作原理、特性曲線和主要參數(shù)，三極管放大電路的組成及性能指標(biāo)；放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q的確定與電路元件參數(shù)的關(guān)系，Q點(diǎn)的確立對(duì)放大電路非線性失真的影響，最大不失真輸出電壓的計(jì)算；單級(jí)放大器的頻率響應(yīng)（低頻響應(yīng)與高頻響應(yīng)，影響高、低頻響應(yīng)的主要因素，幅頻響應(yīng)曲線與相頻響應(yīng)曲線，上、下限頻率及通頻帶的概念，幅頻響應(yīng)的波特圖）；理解基本串聯(lián)型穩(wěn)壓電路原理，掌握串聯(lián)型穩(wěn)壓電路輸出電壓的估算方法，掌握三端集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用等知識(shí)。

同時(shí)熟練掌握了示波器、萬(wàn)用表、直流電源和電烙鐵等儀器設(shè)備的使用，提高了動(dòng)手的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

模擬電子技術(shù)是工科院校一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)其它專業(yè)技術(shù)課程時(shí)更加輕松自如。本文從模擬電子技術(shù)的實(shí)際情況出發(fā)，將難度適中的實(shí)際工程項(xiàng)目引入教學(xué)當(dāng)中，使學(xué)生在做好項(xiàng)目的同時(shí)，對(duì)書本上的理論知識(shí)的掌握更加透徹，對(duì)將來(lái)分析和處理各種實(shí)際問(wèn)題更加得心應(yīng)手。從應(yīng)用該方法的結(jié)果來(lái)看，教學(xué)效果比較明顯，不但提高了學(xué)生綜合實(shí)驗(yàn)技能，還開發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，是一次有益的教學(xué)嘗試。