基于電源模塊的低噪聲二次電源模擬電路設(shè)計

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，初學(xué)者在剛開始接觸這門課程時常會感到枯燥、抽象，難以入手。所以本文將實際工程項目引入到課程的教學(xué)當(dāng)中，很好地解決了理論教學(xué)與實際動手相脫節(jié)的老大難問題，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 項目設(shè)計過程

基于電源模塊的低噪聲二次電源設(shè)計通常分為以下幾個部分：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)一個電源開啟時產(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 是一個典型的浪涌電流波形，它有兩個尖峰，第一個“浪涌尖峰”的電流峰值是輸入電壓電源( I nput Voltage Source) 啟動時產(chǎn)生的，而第二個電流峰值則是DC-DC轉(zhuǎn)換器啟動時產(chǎn)生的。

本文設(shè)計浪涌抑制采用了圖2 的方法。這個電路在電源端負(fù)極使用一個MOS場效應(yīng)管(MOSFET) 器件Q1。其具體工作過程為：Q1 通過R2 拉低其門限電壓，通常它是斷開的。當(dāng)施加輸入電壓時，通過R1 為柵極充電，Q1 的充電時間和開啟時間將由于C1的存在而減慢，可以選用R1 和C1 來為輸入電容緩慢充電來限制浪涌電流。在輸入電容充好電后，Q1 柵極將會充電，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

輸入濾波器包括共模濾波和差模濾波兩部分，如圖3 所示。因為DC- 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，它的缺點是弱磁場容易飽和。所以，L1 在繞制時采用雙線并繞的方式，即在一個閉合磁路的磁芯上繞制相同電感量的兩個繞阻，電源電流經(jīng)兩個繞阻產(chǎn)生相反磁通，相互抵消，防止磁芯飽和。對于共模噪聲，互感系數(shù)產(chǎn)生的磁通相互增強，即電感量增強，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，也為二次電源提供一定時間的維持電壓。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

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，實際工程項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)計為兩級濾波，電路原理如圖5 所示：

兩級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，而一級濾波電路整流到輸出的傳遞函數(shù)如式( 3) 所示:

改為兩級濾波后傳遞函數(shù)由兩階變?yōu)樗碾A，合理的對電感和電容進(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)計上還要進(jìn)一步采取降低噪聲的措施和方法。

對于DC-DC電源變換器，超低噪聲的實現(xiàn)是通過在DC-DC模塊的輸入端和輸出端各加一個繞線磁芯，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示，特別當(dāng)DC-DC模塊輸出端到負(fù)載的距離較長時，這種結(jié)構(gòu)降噪效果更好。差模濾波器的設(shè)計是使用繞線磁芯的漏電感原理來實現(xiàn)，而共模濾波器則是輸入繞線磁芯結(jié)合并聯(lián)電容來實現(xiàn)的，用于在輸入端來削弱共模輸入噪聲。它首先經(jīng)過一個作為電容分壓器的陶瓷旁路電容后，再經(jīng)過第二級中間繞組電容。其次，繞線磁芯可以看作一個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)計材料應(yīng)使用磁導(dǎo)率相對較高的鐵氧體磁芯，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。因為高的磁導(dǎo)率可以使用較少的繞線來實現(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。

對于圖6 結(jié)構(gòu)的等效電感的計算可以按照公式(4) 進(jìn)行，因為磁芯的繞線匝數(shù)上下是一致的，即N=N1=N2，這樣，計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；N是匝數(shù)；是漏電感。

經(jīng)過對繞線磁芯的分析，我們設(shè)計了如圖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。為了在差模濾波時發(fā)揮更好的高頻特性，并聯(lián)電容由一個鉭電容和一個陶瓷電容并聯(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)計綜合運用了以上章節(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 項目體現(xiàn)的知識點

通過該項目的完成，使學(xué)生更加深刻的理解了模擬信號和數(shù)字信號的特點，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Q的確定與電路元件參數(shù)的關(guān)系，Q點的確立對放大電路非線性失真的影響，最大不失真輸出電壓的計算；單級放大器的頻率響應(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。

同時熟練掌握了示波器、萬用表、直流電源和電烙鐵等儀器設(shè)備的使用，提高了動手的能力。

3 結(jié)束語

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)課程時更加輕松自如。本文從模擬電子技術(shù)的實際情況出發(fā)，將難度適中的實際工程項目引入教學(xué)當(dāng)中，使學(xué)生在做好項目的同時，對書本上的理論知識的掌握更加透徹，對將來分析和處理各種實際問題更加得心應(yīng)手。從應(yīng)用該方法的結(jié)果來看，教學(xué)效果比較明顯，不但提高了學(xué)生綜合實驗技能，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。