一种开关电源抑制输出工频纹波的方法与流程

1.本发明涉及开关电源的控制方法，尤其涉及一种开关电源抑制输出工频纹波的方法。


背景技术：

2.数字化开关电源技术近年来发展迅速，高性能精密电源的社会需求也越来越多，对于高性能的开关精密电源来说，输出纹波是一项很关键的参数。纹波电压容易在电器上产生谐波，危害开关电源的安全。
3.如图1所示，开关电源一般由ac-dc和dc-dc两部分组成，交流输入电压经过整流滤波电路后，输出的直流电压中含有输入工频纹波，其频率为输入交流电频率的两倍，输入工频纹波的幅值与电源输出功率及输出滤波电容容量有关。工频纹波经过dc-dc变换器衰减后，在电源输出端表现为输出工频纹波，其大小由dc-dc变换器的变比和控制系统的增益决定。若要实现开关电源的低工频纹波输出，则必须对输出工频纹波采取抑制措施。
4.传统的抑制纹波的方法主要有以下4种：1)加大输出电感感量和输出电容容量：根据开关电源公式，电感内的电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比，所以增大输出电感感抗和输出电容容量可以减小输出纹波；因为体积限制，输出电感不会做的很大，输出电容增加到一定程度对减小工频纹波就没有明显的效果了；此方法对减小输出工频纹波没有明显的效果。
5.2)二级滤波：二级滤波就是在输出端再加一级lc滤波器，lc滤波器对纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感和电容构成滤波电路，一般能够很好地减小高频纹波。lc滤波器放置在输出电压采样点之后，因为电感存在直流电阻，电感上会有压降，导致电源的输出电压降低。lc滤波器放置在输出电压采样点之前，在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，容易导致控制系统不稳定。
6.3)开关电源输出之后，接线性稳压器滤波：线性稳压器滤波是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原来的反馈系统，但是成本高，功耗大，此方法不适合高效率开关电源。
7.4)增加bulk电容容量：根据开关电源公式，纹波和电容值成反比的关系，我们可以通过加大bulk电容容量，减小输入工频纹波，继而减小输出工频纹波；但是此种方法同样存在电容体积增大，成本增加，不利于提高开关电源功率密度的弊端。
8.以上四种抑制低频纹波的方法都是通过增加额外的电路或增大元器件的体积达到减小工频纹波的目的，不利于数字化开关电源提高功率密度和降低成本。


技术实现要素：

9.本发明要解决的技术问题是提供一种不会降低功率密度、提高成本的开关电源抑制输出工频纹波的方法。
10.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种开关电源抑制输出工频纹波的方法，包括输出工频纹波补偿器和输出电压补偿器，输出工频纹波补偿器通过采样开关电源的输出电流和交流输入电压的过零点信号，生成工频纹波补偿电压；将工频纹波补偿电压与开关电源的默认输出电压进行求和得到给定电压，给定电压输入输出电压补偿器；在输出电压补偿器中，给定电压与开关电源的直流输出反馈电压求和得到电压偏差，电压偏差送入到环路补偿器进行运算，功率变换电路驱动芯片根据环路补偿器的运算结果输出pwm驱动信号，控制功率变换电路进行功率转换。
11.以上所述的方法，输出工频纹波补偿器根据交流输入电压的过零信号与所述的输出电流产生工频纹波补偿电压，工频纹波补偿电压与开关电源的输出工频纹波周期相同，幅值相等、相位相差180
°
。
12.以上所述的方法，工频纹波补偿电压为正弦波。
13.本发明开关电源抑制输出工频纹波的方法利用软件算法解决开关电源输出工频纹波过大的问题，抑制效果可以达到90%以上，而且不需要增加硬件成本和电源的体积。
附图说明
14.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
15.图1是现有技术开关电源的电路框图。
16.图2是本发明实施例开关电源输出工频纹波抑制方法的原理框图。
17.图3是本发明实施例开关电源输入电压过零点信号示意图。
18.图4是本发明实施例开关电源输出工频纹波补偿示意图。
具体实施方式
19.本发明实施例开关电源输出工频纹波抑制方法的原理如图2所示，输出工频纹波补偿器根据交流输入过零点信号和输出电流大小生成工频纹波补偿电压；工频纹波补偿电压信号与输出工频纹波信号周期相同，幅值相等，相位相差180
°
；工频纹波补偿电压和默认输出电压相加的结果作为给定电压进入输出电压补偿器进行环路补偿运算，给定电压中含有工频纹波补偿电压分量，给定电压与反馈电压相加，工频纹波补偿电压分量与反馈电压中的工频纹波分量互相抵消，电压偏差中的工频纹波分量很小，经过环路补偿器后输出的驱动频率几乎不受工频纹波的影响，可以极大地降低输出的工频纹波。
20.如图3所示，交流输入电压a经过全波整流形成两倍输入频率的馒头波，经过变压器进行功率变换后，输出电压中含有两倍输入频率的输出工频纹波b；输出工频纹波是功率级固有的属性，只能减弱无法消除，其幅值与开关电源的功率、电解电容容量等因素有关。
21.数字化开关电源通常采用负反馈控制输出电压，输出电压含有工频纹波，对输出电压进行采样，反馈电压包含工频纹波成分；本发明的输出工频纹波补偿器产生工频纹波补偿电压信号，工频纹波补偿电压信号与输出工频纹波信号的周期相同、幅值相等、相位相差180
°
；在输出电压补偿器中，纹波补偿电压与输出反馈电压中的工频纹波互相抵消，工频
纹波成分在进入环路补偿器前已经被削弱，环路补偿器输出的驱动脉冲几乎不受输出反馈电压工频纹波分量的影响，经功率转换输出电压更加稳定，输出电压中的工频纹波得到抑制。
22.想要对输出工频纹波进行补偿，首先得确定输出工频纹波的周期，这是对输出工频纹波进行补偿的关键，工频纹波补偿电压信号与输出工频纹波信号周期需要相同，才能抑制输出工频纹波；输出工频纹波的周期取决于交流输入电压, 如图3中c信号所示，通过检测交流输入电压的过零点可以获得输出工频纹波的周期；此外输出工频纹波与交流输入电压相位刚好相差180
°
，如图3中的a信号和b信号所示，交流输入电压的过零点信号刚好对应输出工频纹波的波谷，由于输出工频纹波与输入电压之间的关系，输出纹波补偿器根据输入电压过零点信号产生一个与输出工频纹波周期相同的工频纹波补偿电压信号。
23.输出工频纹波幅值大小与输出功率成正比例关系，在输出电压一定的情况下，输出电流越大，输出工频纹波幅值越大；对输出电流进行检测，输出工频纹波补偿器根据输出电流采样信号确定工频纹波补偿电压的幅值。
24.如图4所示，纹波补偿电压的周期与幅值都已确定，并且交流输入电压过零点信号与工频纹波存在相位相差180
°
的关系，根据这个关系可以产生与输出工频纹波d周期相同、幅值相等、相位相差180
°
的工频纹波补偿信号e，工频纹波补偿信号e与输出工频纹波信号d相加互相抵消，补偿后的输出工频纹波f非常小。
25.本发明以上实施例开关电源输出工频纹波抑制方法在不增加硬件成本和电源体积的情况下，利用数字化开关电源软件算法解决数字化开关电源输出工频纹波大的问题，输出工频纹波的抑制效果可以达到90%以上。