開關電源輸入平波電路的設計與實現

關鍵詞： 輸入平波電路；輸入導納；輸出阻抗

引言

電子技術的迅速發展,對電子儀器和設備提出了更高的要求。性能上,更加安全可靠;功能上,不斷增加;使用上,自動化程度越來越高;體積上,日趨小型化。這使得具有眾多優點的開關電源在計算機、通信、航天、彩色電視等方面得到了日益廣泛的應用。但是,由于開關穩壓電源中,開關管工作在開關狀態,其交變電壓和電流會通過電路的元器件產生很強的尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾嚴重的污染了市電電網,影響鄰近電子儀器及設備的正常工作;同時,由于這一缺點,使得開關電源無法應用于一些精密的電子儀器中,因此,盡量降低開關電源的電磁干擾,提高其使用范圍,是從事開關電源設計必須考慮的問題。

本文作者應用了二端口網絡的原理,對開關電源中平波電路進行了分析,給出了輸入平波電路設計的一般方法及相關參數的計算方法。

1 　基于二端口網絡輸入平波電路的設計

目前廣泛使用的開關電源,無論單管式、推挽式、半橋式、全橋式都可以歸納為如圖1 所示的形式 (以單相為例) 。

由圖1 可以看出:通過對輸入平波電路的配置,可以改變電路的等效阻抗,進而達到預期的平波效果。

1. 1 　輸入平波電路雙端口網絡模型的建立

依據圖1 所示的一般性原理圖,可以建立如圖2 所示的輸入平波電路雙端口網絡模型。

其混合參數方程如下:

式中: g11為輸入導納; g22為輸出阻抗; g12為反向電流增益; g21為正向電壓增益。由式(1) 可以轉化為如圖3 所示的等效電路圖。

1. 2 　輸入平波電路設計的一般原理

在開關電源的設計中,輸入平波電路必須要滿足以下幾項要求:

①要保證平波電路在平波的同時,不影響電源的負荷能力;

②對于輸入的低頻分量,要求平波電路盡量不造成衰減;

③對于高頻諧波分量,平波電路要有良好的平波效果。

結合式(1) 所示的混合參數方程及圖3 所示的等效原理圖,由要求①可以得出:平波電路的輸入導納和輸出阻抗要盡可能小,也即g11 = g22 = 0 ;由要求②可以得出:對于低頻分量,反向電流增益g12和正向電壓增益g21設計值要盡量為1 , 而輸入導納和輸出阻抗要盡可能小, 也即g12 = g21 = 1 ,g11 = g22 = 0 ;

由要求③可以得出:對于高頻分量, g11 , g12 ,g21 , g22都要盡可能的小。綜合以上的分析結論,這就是輸入平波電路設計的一般方法及平波效果的評判標準。

2 　實例分析

LC 平波電路和四階直流線路平波器是工程實際中常用的平波電路,下面我們就以上面的結論分析其平波效果。圖4 為LC 平波電路。

其混合參數方程為:

對于直流分量:

由于f 趨向于0 ,對應有w = 2πf 趨向于0 ;

顯然g11 = g22 = 0 ; g12 = g21 = 1

對于高頻諧波分量:

考慮當wl > 10 時,顯然有g11 = g12 = g21 = g22≈0 ,分析系統的輸入導納和輸出阻抗如下:要保證輸入導納g11趨向于0 , 必然使得L 取值很大;要保證輸出阻抗g22趨向于0 ,必然使得C取值同樣很大,這給工程實際應用帶來了局限性,這也正是LC 平波電路的缺點。以下再分析在工程實際中廣泛應用的四階直流線路平波器,其原理圖如圖5 所示。

其混合參數方程如下:

式中:

如果令:,則可以求得相應的參數如下: g11 = gz ; g12 = g21 = z ; g22 = - l₁ sz

下面我們來分析此平波器電壓傳遞函數的幅頻特性,此平波器的電壓傳遞函數為:

將g 參數代入, 應用MATLAB 做出其對數幅頻特性曲線如下所示:

顯然:在低頻段輸出電壓的衰減較小,高頻段的平波效果比較明顯。

由以上分析可以看出:由于此電路器件參數的選擇范圍較寬,因此較容易設計出滿足設計要求且適用于工程實際的平波器. 作者已將此電路應用到了為長沙某公司所設計的開關電源中。

設計要求為:

①輸入1 000 V 的尖峰電壓,最大產生20 A 電流。

②平波器輸出電流從0～25 A 變化時,造成513 V 電壓波動不超過2 %。

據此設計要求可得到設計允許值:

輸入導納: 20/ 1000 = 0. 02

輸出阻抗: (1 2 %) = 20. 93～20. 11

作者最終選定的參數值為:

L 1 = 500μH; 　L 2 = 140μH; 　R0 = 0. 3 Ω;C1 = 470μf ; 　C2 = 40μf

將這組參數值代入式(3) 得到:

g = 5 ; z = 0. 003 ;

g11 = gz = 0. 015 ;

g12 = g21 = 0. 003 ;

g22 = 0. 2

加入此平波器前后開關電源輸出波形如下:

顯然,加入四階直流線路平波器后,輸出電壓紋波大大降低了。

3 　結語

在開關電源日益廣泛的應用中,由于開關管工作在開關狀態而造成的電壓波動限制了開關電源的使用范圍,因此需要抑制由于電壓波動而造成的諧波干擾。本文應用二端口網絡原理,對開關電源輸入平波電路的設計要求進行了分析總結,得出了三條設計原則。它適合于任何平波器的設計。從該設計原則出發,也可以對現有的開關電源輸入平波器性能進行分析。本文給出了一個應用該原則設計出的四階直流線路平波器,并用在了工程實際,運行結果表明:該原理理論性與實踐性均較好,具有通用性。