【2008年中国电工技术学会电力电子年会论文】1218

并联开关电源中的拍频研究

王宝臣王正仕贺玲

浙江大学电气工程学院，杭州 310027

摘要本文分析了并联开关电源的拍频问题，并在LM20134和LM20154组成的并联电路上测试，介绍了四种抑制拍频的方法：输入滤波、增大输出电容、频率两端化、同步。实验证明，这四种方法对拍频都有一定的抑制作用。

关键词拍频，频率调制，同步

1. 引言

在共用同一输入电源线的两路开关电源中，若两个电源模块的开关频率相差不大，则可能在输出中出现两路开关频率的差值频率的低频扰动，这就是拍频

[1]

(beat frequency ）。拍频也可以在两个开关模块串

联的情况下产生[1-2]。拍频最直接的影响就是输出纹波变大，再者引入低频扰动势必增加了滤波的难度，低频扰动对系统的稳定性也会有一定的影响。本文在分析了拍频可能产生的机理基础上，应用LM20134和LM20154构建拍频测试平台，并介绍了四种抑制拍频的方法。

2. 开关电源中的频率调制

在如图1所示的Buck 电路简图中，若输入不是干净的直流，而是混有一定频率的交流成分，开关过程就相当于输入信号的交流频率与开关频率的频率调制过程。

f(t)

S(t)

g(t)+

图1 Buck 电路简图

图2 波形示意图

如图2中所示，f （t ）为带有交流波动的输入信号，S （t ）为开关信号。

t V V t f I AC DC ωcos )(+= (1)

2(cos 1

sin 2)(1S S

n DT t n n D D t S ??+=∑∞=ωππ (2) 上两式中，DC V 为输入电压的直流分量，AC V 为输入电压交流分量的幅值，D 是开关信号的占空比。输

入信号经过开关后的输出)(t g 就是两式的乘积。为了简化分析，我们忽略了)(t S 2次以上的高次谐波。

)()()(t S t f t g ?=

(cos )[cos (S

S I AC DC DT t A D t V V ?++=ωω ])cos[(21

])cos[(21

(cos cos ?ωω?ωωωω??++++

?++=t AV t AV DT t A V t DV DV S I AC S I AC S

S DC I AC DC （3）其中，π

πD

A sin 2=

，D π??= 从上面式子可以看出，输出中直流量为DC DV ，交流量包括了I ω、S ω、S I ωω+、S I ωω?四个频率成分，其中S ω频率成分的幅值较大，其他频率的几项幅值较小。但当I ω与S ω频率接近时，它们的差频率很小，通过系统闭环可能不会衰减，在输出中可能会产生拍频。

3. 测试电路说明

我们利用了美国国家半导体公司的芯片LM20134[3]和LM20154[4]来研究拍频的特性。LM20134

中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会

和LM20154是以同步Buck为拓扑的降压芯片，采用的是峰值电流模式控制，其内部集成了开关管，大大减少了外围电路的设计。LM20154的内部原理图见图3。LM20154内部固定1M开关频率，并可以输出与内部开关信号180°移相的信号。LM20134的内部原理与LM20154基本相同，唯一的差别是LM20134自带开关频率410K，且它可以接收外部的同步信号来控制芯片的开关频率。在实际测试电路中，LM20154与LM20134共用同一输入电压5V，分别降压到2.5V连接到各自的负载，其中LM20134通过外部的信号发生器同步。其电路示意图如图4。

5.2增大输出电容

若从输出方面考虑，输出电容增大，输出电压的波动可以减小。基于该点考虑，输出电容的增加同样可以减小拍频的影响。从图8.b 中可以看出增大输出电容后，拍频有所减小。这种方法在也可以在一定程度上抑制拍频。

图8.a 未增大输出电容

的输出

图8.b 增大输出电容后的

输出

5.3频率两端化

若使两个开关模块的开关频率相差较大，这样S I ωω?则会是一个与开关频率可比的量，通过闭环设计拍频就会得到一定的抑制。在实际测试中，LM20134模块工作于芯片的自身开关频率410K ，而LM20154工作的开关频率是1M 。由于差频率与开关频率相差不大，这样通过滤波电路可以有效抑制拍频。从图9.b 中可以看出输出中也没有了低频的扰动，输出纹波较小，拍频得到抑制。

图9.a 两路开关频率接近

时有拍频的输出

图9.b 频率两端化后的

输出

5.4同步

拍频的频率为S I ωω?，若我们使S I ωω=，这样就可以消除拍频，该方法就是同步。LM20134芯片具有同步的功能，可以利用LM20154输出的1M 同步信号同步LM20134，这样两路开关模块的开关频率保持一致，输出中则不会有低频的扰动出现。从图10.b 中可以看出，经过同步以后输出中没有了扰动，输出纹波也减小了，拍频得到了抑制。

图10.a 未同步的有拍频

的输出

图10.b 同步后的输出

6. 拍频抑制的方法比较

输入滤波要选取额外的电感以及大电容值的瓷片

电容。增大输出电容也需要很大的电容。频率两端化会使其中一路的开关频率变小，这样为达到同样的输出效果该路就要选取较大的无源元件。这三种方法对功率密度的提高都会有一定的影响。同步方法只是需要电路具有同步功能，这样两路都可以工作于较高的开关频率下，可以减小无源元件的体积，有利于功率密度的提高。故在高功率密度的系统中，同步是个不错的选择。

由于拍频是低频扰动，那么有效的环路闭环设计对拍频也有一定的抑制作用,文献中也有了一定的提及[1]。

7. 结论

本文针对开关电源并联时出现的拍频问题，通过频率调制来分析拍频的产生，并介绍了四种可以抑制拍频的方法：输入滤波、增大输出电容、频率两端化以及同步。在LM20134和LM20154的并联系统中测

试了这些方法可以在一定程度抑制拍频。

致谢

本文得到美国国家半导体公司的大力支持，在此表示感谢。

参考文献

[1] Hong Huang ,“Study of Beat Frequencies — Modeling

and reducing the Effect in Switch-mode DC Power Conversion Systems ”， DCDC Technical White Paper from Astec Power ,July,2003

[2] Neti Vishwanathan and V . Ramanarayanan ，“Beat

frequency oscillations in the output voltage of high voltage DC power supplies under pulsed loading,” in Power Electronics and Drive Systems ,vol. 1, Singapore,

November 2003, pp.654-658.

[3] National Semiconductor Corporation.,LM20134 datasheet ,

National Semiconductor Corporation, 2007.

[4] National Semiconductor Corporation.,LM20154 datasheet ,

National Semiconductor Corporation, 2007.