下载文档原格式
开关电源系统中谐波的抑制张罡;张小平;朱建渠【摘要】为了提高开关电源电能质量和高功率因素,分析了开关电源中整流变换和逆变器两部分,开关电源运行中会产生谐波成分,整流和逆变过程中都含有3次、5次、7次、9次等以上的奇次谐波和偶次谐波,通过测试可知,3次、5次、7次、9次奇次谐波成分最大,其余高次谐波虽然存在但其能量很低,对系统正常工作的干扰不大,在抑制时可以忽略.基于此,设计出一种新型带通无源滤波器,该滤波器能抑制3次以上的谐波,与传统的滤波器相比具有很好的优越性.试验验证可知,该滤波器能改善电压波形,谐波总量低于我国制定的5％标准.【期刊名称】《电焊机》【年(卷),期】2013(043)010【总页数】4页(P55-58)【关键词】开关电源;单相整流;逆变;谐波;无源滤波器【作者】张罡;张小平;朱建渠【作者单位】重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆401331;攀枝花学院电气信息工程学院,四川攀枝花617000;重庆科技学院机械与动力工程学院,重庆401331;西南交通大学电气工程学院,四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】TG434.10 前言开关电源已广泛应用在各行各业中，而开关电源的核心技术是电力电子技术，开关器件在导通和关断时会产生谐波成分和电磁干扰，影响系统的正常工作，降低电网电源功率因素，因此，电力电子技术的快速发展，谐波的抑制已成为国内外同行专家关注的重点。
传统的供电系统被设计成按基波频率的正弦波运行。
在各种电气设备中，理论上其运行的正弦波电压就是基波电压，实际上，在供电系统中存在电机、变压器、电器设备以及强非线性的电力电子器件等各种非线性设备，必将产生非基波的正弦波电压，即谐波成分。
在此主要针对开关电源中的整流和逆变两部分进行分析其谐波产生的机理，提出抑制谐波的可行方案，并通过试验验证所设计的新型滤波器的滤波效果。
本研究的思想将改变传统单谐振抑制谐波的方法，为开关电源系统可靠而稳定的运行提供参考。
开关电源尖峰的抑制措施电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。
1 滤波电路为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
1.1 电源进线端滤波器该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
各元器件的作用：（1）L1L2C1 用于滤除差模干扰信号。
L1L2 磁芯面积不宜太小，以免饱和。
电感量几毫亨至几十毫亨。
C1 为电源跨接电容，又称X 电容。
用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。
电容量取0.22μF～0.47μF。
（2）L3，L4，C2，C3 用于滤除共模干扰信号。
L3，L4 要求圈数相同，一般取10，电感量2mH 左右。
C2，C3 为旁路电容，又称Y 电容。
电容量要求2200pF 左右。
电容量过大，影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。
电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。
故对差模信号电感L3、L4 不起作用，但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。
一般wL >Rl，则：|UN/US|=0表明，对共模信号Ug 而言，共模电感呈现很大的阻抗。
1.2 输出端滤波器输出端滤波器大都采用LC 滤波电路。
其元件选择一般资料中均有。
为进一步降低纹波，需加入二次LC 滤波电路。
LC 滤波电路中L 值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2 匝为宜。
电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。
同时采样回路中要加入RC 前馈采样网络。
如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。
因为地线分布电感对抑制纹波极为不利。
导线长度l，线径d 与其电感量的关系为：L(μH)=0.002l[ln（4l/d)－1](2)2 二极管反向恢复时间引起之尖峰及其抑制以单端反激电源为例（见图4）Us 为方波，幅值为Um。
详细解析Buck电路开关电源纹波的有效抑制方法2013-10-11 09:51 来源：电源网作者：云际开关电源具有效率高、输出电压可调范围大、损耗小、体积小、重量轻等特点，得到了广泛的应用。
由于开关电源体积小，输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大，如何降低纹波含量成为开关电源应用及制造技术中的一个关键技术难点。
本文通过对Buck电路的分析，找出对纹波的产生有影响的因素及改善的措施。
纹波的定义Buck类型开关电源的拓扑结构如图1所示。
通常情况下，开关电源首先把电网电压全波整流变为直流电，经高频开关变换由变压器降压，经高频二极管整流滤波后，得到稳定的直流电压输出。
其自身含有大量的谐波干扰，同时由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰都形成了电磁干扰源，这些尖峰就是输出纹波。
输出纹波主要来源于4个方面：低频纹波、高频纹波、共模纹波、功率器件开关过程中产生的超高频谐振等。
Buck电路产生纹波的机理及计算1、纹波电流计算电感的定义：λ为线圈磁链、N为线圈匝数、i为流经线圈的电流、Φ为线圈磁通。
如果式(1)两端以时间t为变量进行微分计算，可得：这便是大家所熟知的电感电压降回路方程。
现在假设对于每个单独的开关周期，在开关管导通状态和关断状态，输入输出电压都基本没有变化，可以写出导通状态和关断状态时的L两端的电压。
导通状态L两端的电压：关断状态L两端的电压：Vsat为开关管的导通压降;VF为二极管的导通压降。
由于Vsat和VF相对于Vi和Vo很小，这里忽略不计，可以得到：可以看出Von和Voff都是常数，即对于不论在导通状态还是在关断状态都有：为常数，所以可以用替换，代入式(4)并整理得：可以认为Δi就是电感线圈中的纹波电流，将导通和关断状态时的时间和电压式(2)和式(3)代入上式，分别写出导通状态和关断状态时的纹波电流表达式：Δion为导通状态纹波电流；ton为导通时间；Δioff为关断状态纹波电流；toff为关断时间。
直流可调稳压电源的噪声与纹波抑制技术直流可调稳压电源在电子设备中起到了至关重要的作用。
然而，由于电源输出的噪声和纹波存在，会给电子设备的正常运行和性能产生不利影响。
因此，噪声和纹波抑制技术成为了直流可调稳压电源设计中的重要一环。
一、噪声来源及其产生机制噪声是电子设备中不可避免的问题，电源作为电子设备的基础设备，其输出的噪声主要来自于以下几个方面：1.原始电源原始电源本身存在电网上的高频噪声和谐波，这些噪声会通过输入端进入到直流可调稳压电源中。
2.开关电路直流可调稳压电源常采用开关电路来进行电压的转换与调节，开关电路在转换的过程中会产生噪声。
3.输出滤波电容为了减小输出端的纹波，通常会在输出端增加滤波电容，然而，滤波电容的不理想效果会导致输出端产生噪声。
噪声的产生机制主要有两个方面，即共模噪声和差模噪声。
共模噪声是指在输入和输出之间，两个信号共同指向地，由于电源和地之间的电阻和电感的存在，导致共模噪声的传播。
差模噪声则是指输入和输出之间的两个信号相对地的差分信号，由于传输路径上的纹波噪声和杂散噪声引起。
二、噪声与纹波的影响噪声对电子设备的影响主要有两个方面。
首先，噪声会导致电子设备的工作不稳定，甚至失效。
在某些需要高精度的测量或信号处理系统中，噪声的存在会导致系统的误差增大，从而影响到整个系统的正常运行。
其次，噪声也会影响到电子设备的性能。
对于一些高要求的电路系统，如音频放大器、射频通信系统等，噪声会被放大并带入到信号中，从而影响到信号的质量和清晰度。
纹波则主要影响到电子设备的工作稳定性。
纹波会使得直流可调稳压电源输出的电压不稳定，并产生波动，进而引发电子设备工作不正常。
三、噪声与纹波抑制技术针对上述噪声与纹波问题，设计师们提出了一系列的技术手段来进行抑制。
1.滤波电路滤波电路是直流可调稳压电源中最常见的噪声和纹波抑制技术。
通过在电源输出端增加合适的滤波电容，可以滤除大部分的高频噪声和纹波。
2.反馈控制反馈控制是一种常用的噪声抑制技术。
图1 探头和地线形成的环路图2 安装接地弹簧针的探头
图3 电源纹波测试连接框图
压。
纹波系数是评价直流电源稳定纯净输出的重要指标
图6 共模滤波法的电路图图4 无滤波电路的输出电压纹波图5 在电源输出端加载电容滤
波器后的电压纹波
图9 在电源输出端电源接线上穿绕铁氧体磁环滤波后的电压图10 在电源输出端加组合滤波后的电压纹波
图7 在电源输出端加共模滤波器后的电压纹波图8 在电源输出端电源接线上穿绕铁氧体磁环滤波
方案仿真：
行数据分别与第（n-1）行数图8-1 盲元校正前的成像 图8-2盲元校正后的图像
到[1] Shen X Q, M a tsuhata H, Okumu ra H. Reduction of the threading dis- location density in GaN films grown on vic-Inal sapphire ( 0001) substrates[ J]. App.l Phys. Lett. ,2005, 86: 021912 -。
开关电源的尖峰处理及其抑制方法电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。
2滤波电路为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
2.1电源进线端滤波器在电源进线端通常采用如图1所示电路。
该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：（1）L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。
L1,L2磁芯面积不宜太小，以免饱和。
电感量几毫亨至几十毫亨。
C1为电源跨接电容，又称X电容。
用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。
电容量取0.22μF～0.47μF。
（2）L3，L4，C2，C3用于滤除共模干扰信号。
L3，L4要求圈数相同，一般取10，电感量2mH左右。
C2，C3为旁路电容，又称Y电容。
电容量要求2200pF左右。
电容量过大，影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。
电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。
故对差模信号电感L3、L4不起作用（见图2），但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。
其等效电路如图3所示。
由等效电路知：令L1=L2=M=L，UN=RCI1同时RC RL，则：图1电源进线端滤波电路(1)一般ωL RL，则：。
式（1）表明，对共模信号Ug而言，共模电感呈现很大的阻抗。
2.2输出端滤波器输出端滤波器大都采用LC滤波电路。
其元件选择一般资料中均有。
为进一步降低纹波，需加入二次LC滤波电路。
LC滤波电路中L值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2匝为宜。
电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。
同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。
图2共模电感对差模信号不起作用如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。
开关电源纹波抑制研究现
作者：方宇杰苏秉华杭凌侠
来源：《现代电子技术》2012年第10期
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
中图分类号：文献标识码：A 文章编号：
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12 V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［1］。
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［5］。
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［6］。
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。
图1 LC低通滤波器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［7］。
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。
图2 MOSFET尖峰吸收电路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［8］，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。
图3 双电源并联基本结构
图4 双电源并联波形叠加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［］。
图5 反馈回路电路图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。
图6 双路并联以后的纹波波形图7 加反馈后的输出纹波波形
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。
参考文献
［1］刘郑辉，席自强.基于Buck电路的开关电源纹波的计算和抑制［J］.湖北工业大学学报，
［2］张兵，白雪.抑制开关电源纹波的研究［J］.宜宾科技，
［3］熊亚兰.谈谈开关电源效率及开关噪声［J］.火控雷达技术
［4］胡学芝.开关电源的噪声及抑制方法［J］.机床电器
［5］徐华中，陈昌喆.开关电源噪声分析及处理方法［J］.武汉理工大学学报：信息与管理工程版
［6］郑大连，杨忠孝，张榆平.DC＼DC电源中的纹波抑制设计［J］.电子元器件应用，
［7］高之鹏，王仁波，沈克镇.基于开关电源的尖峰吸收电路设计［J］.电子元器件应用，
［8］纵慧慧，郝继飞，邢青青.PWM控制系统对纹波的研究［J］.自动化与仪器仪
表
［9］高利兵.一种新型的低纹波开关电源［J］.电子工程师，
［10］荣军，张敏，张一鸣，等.基于单片机的恒流源技术研究［J］.电子器件，
作者简介: 方宇杰男，1986年出生，湖北武汉人，在读硕士研究生。
主要从事光电控制、激光器电源、电路设计方面的工作。
