一種程控直流電源的紋波抑制器電路的製作方法
2024-03-04 21:45:15 1
一種程控直流電源的紋波抑制器電路的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種程控直流電源的紋波抑制器電路，在直流電源正、負極輸出線之間接有電容C3後，再接入有源低通濾波器、無源濾波器，有源低通濾波器包括N溝道大功率MOSFET管V1、具有動態補償功能的前級運算放大器N1:1和後級運算放大器N1:2，無源濾波器包括電感L1和電容C1。本實用新型的可衰減電源輸出高低頻紋波噪聲，改善動態響應性能，提高輸出精度和穩定性。前後級採用同步跟蹤控制，可實現極低壓差的精確調整，有效地提高了電源的轉換效率。因此，本實用新型在高精度程控直流電源的設計中具有良好的應用價值。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及程控電源領域，具體是一種程控直流電源的紋波抑制器電路。 一種程控直流電源的紋波抑制器電路
【背景技術】
[0002] 程控直流電源是自動測試系統中必不可少的設備。在國家現代化進程中，各類自 動測試系統應運而生，直接服務於科研生產等民用領域，對程控直流電源系統的需求同樣 在增加。在各類自動測試系統，如基站測試系統、電子裝備系統級自動檢測平臺中，都需要 高精度、低噪聲程控電源供電，且要求電壓可編程。程控直流電源是在自動測試環境中提供 偏置功率和對部件或最終產品提供激勵的理想設備，是測試系統必備的測試儀器。隨著軍 隊現代化進程的加快，對系統直流供電要求也日趨嚴格，特別是在通信領域的射頻收發器、 音頻電路以及模擬集成電路處理的模擬信號應用中，對電源精度和紋波噪聲指標要求很 高，傳統高效率的開關式電源已無法滿足其使用要求。
[0003] 目前高精度的程控直流電源常採用以下兩種穩壓方案：1、線性電源穩壓2、開關 預穩壓與線性穩壓的兩級方案。線性電源穩壓方案的電壓穩定度及負載穩定度高，輸出紋 波很小，電路的瞬態響應速度很快，易於滿足高精度低噪聲的要求。但由於採用體積和重 量較大工頻變壓器，工作頻率為100Hz以下的工頻，所以要降低輸出電壓中的紋波電壓的 峰一峰值，就必須有較大容量的濾波電容。同時，功率調整管工作在電晶體特徵曲線的線性 放大區，功率電晶體自身的損耗較大，必須增加較大的散熱片。此外，電網電壓適應範圍窄， 線性電源變壓器和整流器形成的各次諧波大，易影響低頻噪聲敏感電路的工作。採用開關 預穩壓與線性穩壓相結合的方案，綜合了開關電源與線性電源的優點，前級開關電源具有 體積小、效率高的優點，可以實現電源小型化的要求，後級採用快速響應的線性穩壓電路， 可有效降低輸出噪聲，提高電壓精度。但為了獲得良好的快速響應性能，後級穩壓電路必需 保證一定的輸入輸出壓差。同時，在程控輸出電壓改變時，前後級無法實現良好的同步跟蹤 調整，因此，前級常採用固定電壓輸出，造成低電壓輸出時後級穩壓電路功耗較大，無法進 一步減小電源的損耗。為獲得更高的轉換效率，需要採用新的紋波抑制電路。 實用新型內容
[0004] 本實用新型的目的是提供一種程控直流電源的紋波抑制器電路，以解決現有技術 存在的問題。
[0005] 為了達到上述目的，本實用新型所採用的技術方案為：
[0006] -種程控直流電源的紋波抑制器電路，包括直流電源正、負極輸出線，其特徵在 於：直流電源正、負極輸出線之間接有電容C3後，再接入有源低通濾波器、無源濾波器，所 述有源低通濾波器包括N溝道大功率M0SFET管VI、具有動態補償功能的前級運算放大器 Nl:l和後級運算放大器Nl:2,無源濾波器包括電感L1和電容C1，其中電感L1接入直流電 源負極輸出線上，電容C1 一端與電感L1 一端連接，電容C1另一端接入直流電源正極輸出 線，所述前級運算放大器Nl: 1的同相輸入端通過電阻R2與直流電源正極輸出線連接，前級 運算放大器N1:1的同相輸入端還通過電阻R1接地，前級運算放大器N1:1的反相輸入端通 過電阻R3與電感L1、電容C1之間連接，前級運算放大器Nl: 1的反相輸入端還通過電阻R4 與前級運算放大器Nl: 1的輸出端連接，前級運算放大器Nl: 1的輸出端通過電阻R6與後級 運算放大器N1:2的反相輸入端連接，電阻R6與後級運算放大器N1:2的反相輸入端之間還 通過電阻R5接入基準電壓信號，後級運算放大器N1:2的同相輸入端接地，後級運算放大器 Nl:2輸出端與MOSFET管VI的柵極連接，MOSFET管VI的源極接入直流電源負極輸出線上， MOSFET管VI的漏極與電感L1未與電容C1連接的一端連接。
[0007] 所述的一種程控直流電源的紋波抑制器電路，其特徵在於：前級運算放大器Nl:l 與電阻R1-R4構成差分放大器電路，後級運算放大器Nl: 2構成加法器。
[0008] 所述的一種程控直流電源的紋波抑制器電路，其特徵在於：電感L1和電容C1構成 LC低通濾波器。
[0009] 紋波抑制技術的重點在於保證輸入輸出壓差較低的情況下，完成良好的輸出動態 調整，實現高穩定、低噪聲的穩壓效果，獲得高效率、高精度輸出指標。本實用新型採用高精 度運算放大器和大功率N溝道的MOSFET管構成有源低通濾波器，抑制較低頻的紋波，可減 少動態負載所需的輸出電容；採用無源的LC低通濾波器抑制高頻電源紋波和噪聲。由於調 整管使用超低導通電阻的N溝道MOSFET管，與傳統的PNP達靈頓管或P溝道MOSFET相比， 壓降電壓顯著降低，電源效率明顯提高。採用自適應零點補償，可獲得良好的瞬態響應性能 和穩定的負載調整率。
[0010] 本實用新型採用一種紋波抑制技術衰減前級開關電源的紋波電壓，可實現快速的 動態響應及高效的負載點調整，獲得超低壓差及高穩定的直流輸出，有效地降低電源的出 紋波和噪聲。
[0011] 本實用新型的有益效果是：前級開關予穩壓電路，經本實用新型的紋波抑制電路， 可衰減電源輸出高低頻紋波噪聲，改善動態響應性能，提高輸出精度和穩定性。前後級採用 同步跟蹤控制，可實現極低壓差的精確調整，有效地提高了電源的轉換效率。因此，本實用 新型在高精度程控直流電源的設計中具有良好的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012] 圖1為本實用新型的電路原理圖。
[0013] 圖2為本實用新型無源濾波器優化電路。
[0014] 圖3為本實用新型無源濾波器插入損耗仿真曲線圖。
【具體實施方式】
[0015] 參見圖1所示，一種程控直流電源的紋波抑制器電路，包括直流電源正、負極輸出 線，直流電源正、負極輸出線之間接有電容C3後，再接入有源低通濾波器、無源濾波器，有 源低通濾波器包括N溝道大功率MOSFET管VI、具有動態補償功能的前級運算放大器Nl: 1 和後級運算放大器N1:2,無源濾波器包括電感L1和電容C1，其中電感L1接入直流電源負 極輸出線上，電容C1 一端與電感L1 一端連接，電容C1另一端接入直流電源正極輸出線，前 級運算放大器Nl: 1的同相輸入端通過電阻R2與直流電源正極輸出線連接，前級運算放大 器Nl: 1的同相輸入端還通過電阻R1接地，前級運算放大器Nl: 1的反相輸入端通過電阻R3 與電感L1、電容Cl之間連接，前級運算放大器N1:1的反相輸入端還通過電阻R4與前級運 算放大器Nl: 1的輸出端連接，前級運算放大器Nl: 1的輸出端通過電阻R6與後級運算放大 器N1:2的反相輸入端連接，電阻R6與後級運算放大器N1:2的反相輸入端之間還通過電阻 R5接入基準電壓信號，後級運算放大器N1:2的同相輸入端接地，後級運算放大器N1:2輸 出端與MOSFET管VI的柵極連接，MOSFET管VI的源極接入直流電源負極輸出線上，MOSFET 管VI的漏極與電感L1未與電容C1連接的一端連接。
[0016] 前級運算放大器Nl: 1與電阻R1-R4構成差分放大器電路，後級運算放大器N1:2 構成加法器。
[0017] 電感L1和電容C1構成LC低通濾波器。
[0018] 本實用新型的電路原理圖如圖1所示。圖中由運算放大器N1及其外圍的元件和 大功率MOSFET管VI構成有源低通濾波器，用於抑制較低頻率的電源紋波；由L1和C1組成 的無源濾波器則用於抑制較高頻率的電源紋波和噪聲。
[0019] 在有源濾波器的設計中，為抑制信號的共模噪聲，輸出電壓採用差分放大取樣，獲 得檢測電壓信號Vmon，該信號與DAC輸出的電壓基準信號比較放大後，得到誤差信號，驅動 作為功率調整管的MOSFET管VI，通過調整輸出電流來維持不同負載條件下輸出電壓的穩 定。本實用新型採用輸出阻抗極低的N溝道MOSFET作為調整管，與傳統達靈頓三極體及P 溝道MOSFET相比，可有效降低壓降電壓，提高調整效率。
[0020] 為了在保持低噪聲，快速響應，低功耗的前提下，提高的電源抑制比，需要提高環 路的開環增益，其最直接的方法就是提高誤差放大器的增益，因此本實用新型採用兩級運 放作為誤差放大器，可獲得30dB以上的環路增益。考慮到電路的穩定性的問題，需要進行 良好的頻率補償。
[0021] 由於上一級電路為開關電源，而目前大部分的開關電源的工作頻率大多數在 150kHz以下。為提高前級開關電源輸出紋波的衰減率，只需在0至150kHz頻帶範圍內的 提高電源抑制比即可。因此，我們採用具有動態補償功能的運算放大器，優化頻率補償電 路，在頻帶內引入一個左半平面的零點，降低對輸出電容的要求，顯著降低了應用成本。同 時，補償的零點跟蹤負載電流變化，降低了負載變化對系統穩定性的影響，並拓寬了開環相 位裕度，有效地增大了環路帶寬，使有源濾波器的瞬態響應特性得以改善，保證系統的穩定 性。
[0022] 電路中，前級運放Nl:l與R1?R4組成差分放大器電路，其中R1 = R3，R2 = R4， 其輸出：
[0023] Vmon = -^ Vo = k\^ Vo , R\
[0024] 經後級運放組成的加法器進行誤差比較，可知：
[0025] Vr = -* Vmon = -k2 * Vmon = -kl *k2*Vo R6
[0026] 由此可知基準電壓信號Vr與輸出電壓Vo呈比例關係，改變基準Vr即可改變Vo， 從而實現電壓的程控輸出。
[0027] 上面所設計的有源低通濾波器，由於受到運算放大器增益和帶寬的限制，在高頻 段的抑制作用並不夠理想。本實用新型增加了一個截止頻率較高無源LC低通濾波器（見 圖1中L1和C2)，可以有效抑制高頻段的紋波和噪聲，同時由於這個LC低通濾波器的截止 頻率較高，濾波電感與電容元件參數值也不會太大，因此所需的濾波電感與電容元件的體 積也較小，有利於減小整個紋波抑制器的外形尺寸和重量。
[0028] 具體實施例：
[0029] 本實用新型要求程控電壓輸出為0?20V，最大輸出電流為10A，由於電路DAC輸 出範圍為-5V?0V，電阻Rl、R2、R5與R6的取值，與輸出電壓Vo、運放N1工作範圍有關， 因運放供電電壓為12V，為保證良好的調整特性，確定Vmon最大值為10V，因此kl取為0. 5， k2取為0. 5,選取阻值R1為20k，R2為10k，R5為10k，R6為10k，均採用精度為0. 1 %。的 金屬膜電阻器。運放N1採用高精度雙運放LT1013,可完成有源電壓的精確調整；調整管VI 採用HUF75345P，典型導通電阻為7πιΩ，可使10A的壓降電壓降至200mV以內，有效提高了 電源效率。
[0030] 為抑制高頻噪聲，無源低通濾波器的-3dB截止頻率設計為100kHz。為縮小整個紋 波抑制器的體積，同時防止通過較大的電流時電感磁芯不飽和，較小的電感值可使用封裝 很小的貼片電感元件，將電路中的電感值固定為1.0 μ H，通過優化電容值進行高頻抑制。
[0031] 優化後的濾波電路及元件參數值如圖2所示，優化後的插入損耗仿真曲線如圖3 所示。在電路中採用了兩個電容，其中一個電容與電阻串聯，可以消除在高頻時由於電容的 寄生電感與迴路電容發生諧振，導致在某一頻率濾波器的抑制效果變差的現象。
[0032] 本實用新型中樣機電路在10Α負載電流下的輸出測試數據結果見表1 :
[0033] 表1樣機電路輸出測試數據
[0034]
【權利要求】
1. 一種程控直流電源的紋波抑制器電路，包括直流電源正、負極輸出線，其特徵在於： 直流電源正、負極輸出線之間接有電容C3後，再接入有源低通濾波器、無源濾波器，所述有 源低通濾波器包括N溝道大功率MOSFET管VI、具有動態補償功能的前級運算放大器Nl: 1 和後級運算放大器N1: 2，無源濾波器包括電感L1和電容C1，其中電感L1接入直流電源負 極輸出線上，電容C1 一端與電感L1 一端連接，電容C1另一端接入直流電源正極輸出線，所 述前級運算放大器Nl: 1的同相輸入端通過電阻R2與直流電源正極輸出線連接，前級運算 放大器Nl: 1的同相輸入端還通過電阻R1接地，前級運算放大器Nl: 1的反相輸入端通過電 阻R3與電感L1、電容C1之間連接，前級運算放大器Nl: 1的反相輸入端還通過電阻R4與 前級運算放大器Nl: 1的輸出端連接，前級運算放大器Nl: 1的輸出端通過電阻R6與後級運 算放大器N1:2的反相輸入端連接，電阻R6與後級運算放大器N1:2的反相輸入端之間還通 過電阻R5接入基準電壓信號，後級運算放大器Nl:2的同相輸入端接地，後級運算放大器 N1:2輸出端與MOSFET管VI的柵極連接，MOSFET管VI的源極接入直流電源負極輸出線上， MOSFET管VI的漏極與電感L1未與電容C1連接的一端連接。
2. 根據權利要求1所述的一種程控直流電源的紋波抑制器電路，其特徵在於：前級運 算放大器Nl: 1與電阻R1-R4構成差分放大器電路，後級運算放大器N1:2構成加法器。
3. 根據權利要求1所述的一種程控直流電源的紋波抑制器電路，其特徵在於：電感L1 和電容C1構成LC低通濾波器。
【文檔編號】H02M1/14GK203872047SQ201420229673
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月6日 優先權日:2014年5月6日
【發明者】李彬, 汪定華, 王文廷, 王俊, 張根苗, 王群, 敖翔, 郭宇飛 申請人:中國電子科技集團公司第四十一研究所