基于電源模塊的低噪聲二次電源模擬電路設計

引言

模擬電子技術作為一門入門性質的技術基礎課，其內容與后續(xù)的大量專業(yè)課都直接關聯，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)課的重要基礎課。但由于模電課程本身所具有的課程特點，初學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當中，很好地解決了理論教學與實際動手相脫節(jié)的老大難問題，使得學生的學習興趣和學習效率都大為提高。

1 項目設計過程

基于電源模塊的低噪聲二次電源設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。下面將進行具體介紹：

1. 1 浪涌抑制電路

浪涌電流( Inrush Current ) 是當一個電源開啟時產生的尖峰電流( 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轉換器在輸入和輸出端也含有電容，負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) 啟動時產生的，而第二個電流峰值則是DC-DC轉換器啟動時產生的。

本文設計浪涌抑制采用了圖2 的方法。這個電路在電源端負極使用一個MOS場效應管(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轉換模塊一般先把直流轉換為高頻交流，再把高頻交流轉換為穩(wěn)定直流，所以在這期間容易形成各種噪聲，在輸入端表現為傳導噪聲和輻射噪聲。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，電源電流經兩個繞阻產生相反磁通，相互抵消，防止磁芯飽和。對于共模噪聲，互感系數產生的磁通相互增強，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，當輸入電壓由于某種原因出現瞬間跌落或浪涌時，也為二次電源提供一定時間的維持電壓。C1 一般選擇等效串聯電阻較低的電解電容。該電容的耐壓應大于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轉換模塊的電壓輸入端。

1. 3 輸出濾波器設計

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如式( 3) 所示:

改為兩級濾波后傳遞函數由兩階變?yōu)樗碾A，合理的對電感和電容進行取值，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)，設計上還要進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，其結構如圖6 所示，特別當DC-DC模塊輸出端到負載的距離較長時，這種結構降噪效果更好。差模濾波器的設計是使用繞線磁芯的漏電感原理來實現，而共模濾波器則是輸入繞線磁芯結合并聯電容來實現的，用于在輸入端來削弱共模輸入噪聲。它首先經過一個作為電容分壓器的陶瓷旁路電容后，再經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，繞線磁芯的設計材料應使用磁導率相對較高的鐵氧體磁芯，一般磁導率在5000 左右比較合適，這方面有比較成熟的相關產品可供選擇。因為高的磁導率可以使用較少的繞線來實現較高的共模感應系數，從而減少銅耗、分布電容和磁芯體積。

對于圖6 結構的等效電感的計算可以按照公式(4) 進行，因為磁芯的繞線匝數上下是一致的，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表示磁導率增量，A表示切面面積；表示磁芯的平均周長；N是匝數；是漏電感。

經過對繞線磁芯的分析，我們設計了如圖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合濾波電容構成的。在輸入端，繞線磁芯T1 結合陶瓷旁路電容來削弱共模輸入電流。并聯電容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，并聯電容由一個鉭電容和一個陶瓷電容并聯組成，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。

本設計綜合運用了以上章節(jié)介紹的電源降噪技術，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 項目體現的知識點

通過該項目的完成，使學生更加深刻的理解了模擬信號和數字信號的特點，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；各種場效應管的工作原理、特性曲線和主要參數，三極管放大電路的組成及性能指標；放大電路的靜態(tài)工作點Q的確定與電路元件參數的關系，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（低頻響應與高頻響應，影響高、低頻響應的主要因素，幅頻響應曲線與相頻響應曲線，上、下限頻率及通頻帶的概念，幅頻響應的波特圖）；理解基本串聯型穩(wěn)壓電路原理，掌握串聯型穩(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備的使用，提高了動手的能力。

3 結束語

模擬電子技術是工科院校一門重要的專業(yè)基礎課，通過該課程的學習，可以使學生在學習其它專業(yè)技術課程時更加輕松自如。本文從模擬電子技術的實際情況出發(fā)，將難度適中的實際工程項目引入教學當中，使學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手。從應用該方法的結果來看，教學效果比較明顯，不但提高了學生綜合實驗技能，還開發(fā)了學生的創(chuàng)新能力，是一次有益的教學嘗試。