开关电源中阻尼振荡波形
开关电源设计及波形.ppt
I 0th
U int on t off 2L TS
2 2 U in t on U0 2TS off
U 0TS U in 2 ( = 2I U U ) 0 0 in
这类电源的共同特点是具有高 频变压器、直流稳压是从变压 器次级绕组的高频脉冲电压整 流滤波而来。变压器原副方是 隔离的，或是部分隔离的，而 输入电压是直接从交流市电整 流得到的高压直流。
传输功 率 20～ 100W
50～ 200W 100～ 500Ｗ 100～ 5000W
目前，用高频 变压器的变换 电路按其工作 方式可分为五 类，每类传输 的功率也不相 同，应用环境 也稍有不同， 如下所示：
无工频变压器开关稳压电源，有如下的优点： 1.效率高。一般在70～80%以上。 2.体积小、重量轻，随着频率的提高，收效更显著。 3.稳压范围广，一般交流输入80～265V，负载作大幅 度变化时，性能很好。 4.噪声低，声频在20kHz以上时，已是人耳听不到的 超声波，而开关电源的工作频率一般都大于此频率； 5.性能灵活，通过输出隔离变压器，可得到低压大电 流、高压小电流；一个开关控制的一路输入可得到多 路输出以及同号、反号等输出； 6.电压维持时间长，为了适应交流停电时，计算机、 现代自动化控制设备电源转换的需要，开关电源可在 几十毫秒内保证仍有电压输出。 7.可靠性大，当开关损坏时，也不会有危及负载的高 电压出现。
2.在 t off期间
iL 2
U in U 0 (t t on ) I L max L
3.负载电流的平均值 I 0
I oth
U int0 n toff 2L TS
一文搞定开关电源纹波的产生、测量及抑制
一文搞定开关电源纹波的产生、测量及抑制（开关电源）纹波不可避免，我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。
上图是开关（电源）中最简单的拓扑结构-buck降压型电源随着SWITCH的开关，电感L中的（电流）也是在输出电流的有效值上下波动的。
所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个，它与输出（电容）的容量和ESR有关系。
这个纹波的频率与开关电源相同，范围为几十到几百KHz。
另外，SWITCH一般选用双极性（晶体管）或者（MOSFET），不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。
这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。
同样（二极管）D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。
这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
如果是AC／（DC）变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。
还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
开关电源纹波的测量基本要求：使用（示波器）AC（耦合）20MHz带宽限制拔掉探头的地线1.AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2.打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。
因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3.拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。
很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。
但在判断是否合格时要考虑这个因素。
还有一点是要使用50Ω终端。
示波器的（资料）上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。
但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。
开关电源常见尖峰的产生原因和抑制方法
开关电源的尖峰干扰及其抑制电源纹波会干扰电子设备的正常工作，引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障，给生产和科研酿成难以估量的损失，因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多，以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析，并总结出几种有效的抑制措施。
2滤波电路为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
2.1电源进线端滤波器在电源进线端通常采用如图1所示电路。
该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用：（1）L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。
L1,L2磁芯面积不宜太小，以免饱和。
电感量几毫亨至几十毫亨。
C1为电源跨接电容，又称X电容。
用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。
电容量取0.22μF～0.47μF。
（2）L3，L4，C2，C3用于滤除共模干扰信号。
L3，L4要求圈数相同，一般取10，电感量2mH左右。
C2，C3为旁路电容，又称Y电容。
电容量要求2200pF左右。
电容量过大，影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。
电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。
故对差模信号电感L3、L4不起作用（见图2），但对于相线与地线间共模信号，呈现为一个大电感。
其等效电路如图3所示。
由等效电路知：令L1=L2=M=L，UN=RCI1同时RC RL，则：图1电源进线端滤波电路(1)一般ωL RL，则：。
式（1）表明，对共模信号Ug而言，共模电感呈现很大的阻抗。
2.2输出端滤波器输出端滤波器大都采用LC滤波电路。
其元件选择一般资料中均有。
为进一步降低纹波，需加入二次LC滤波电路。
LC滤波电路中L值不宜过大，以免引起自激，电感线圈一般以1～2匝为宜。
电容宜采用多只并联的方法，以降低等效串联电阻。
同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。
图2共模电感对差模信号不起作用如果加入滤波器后，效果仍不理想，则要详细检查公共地线的长度、线径是否合适。
反激式开关电源工作原理及波形分析
反激式开关电源工作时可以简化为下图所示电路：
Mos管控制原边（左侧）电流的通断。
Mos管导通时：
电感充电（实则为建立磁通），副边二极管截止，无电流。
Mos管断开时：
由于电流不同突变（实际上是磁通不能突变），于是在副边形成感应电流，二极管导通。
原边反射电压：
副边有电流流通时，会在原边感应出一个电压（下+上-），叠加在输入电压上。
原边的尖峰电压：
由于漏电感的存在，该部分的磁通没有通过磁芯耦合到副边，因此mos管断开时，会产生很大的电压来维持电流，从而达到维持磁通的目的。
振荡波形：
Mos管关断时尾部有振荡，是由于开关电流工作在断续模式时，能量释放完全后，原边、副边无电流。
此时原边的电路可以等效为电源+电感+电容（Mos管输入电容），发生谐振。
实测波形如下：
（黄色为mos驱动，绿色为mos管的VDS，粉色是原边线圈的电流）。
电力电缆振荡波电压阻尼振荡频率仿真分析
引言配网电缆化能够更好地适应城市供电系统高可靠性和节约空间的发展方向，而且还有着美化市容市貌等诸多优点，已经成为大城市智能配用电系统的首选供电方式。
随着城网的不断建设，大量的电缆被铺设，城市对电量和用电时间的增加，电缆在正常运行过程中发生故障的几率也越来越高，甚至会造成停电事故的发生。
电力电缆中局部放电的放电量与电缆本身的绝缘状况有着很大的联系，通过检测电缆局部放电量的大小，就可以得出电缆的绝缘状况，鉴定电缆的运行状态以及是否存在潜在的缺陷。
1电力电缆振荡波检测技术原理振荡波电压试验接线图如图1所示。
实验的第一个步骤是进行充电，直流高压电源会对电容器进行充电，达到一定幅值后，控制第一高压电子开关导通，电容器经过很短的时间对电缆充电，电缆上电压将在几毫秒内到达峰值，第一高压电子开关关断，控制第二高压电子开关闭合，电抗器、电缆以及线路电阻形成一个弱阻尼振荡回路，在电缆上形成衰减振荡波，同时利用局部放电检测单元实现对电缆的局部放电信号的采集与分析。
由于振荡波试验每次持续时间短、获得的数据量小，为了确保最后结论的准确性，需要经过反复多次的试验，通过多次的判断和对比，最终获得实验电缆的绝缘介质状况。
图1电力电缆振荡波试验设备原理图2阻尼振荡频率的选择范围当进行实际测试时，实验电缆的总电容量是变化的，同样的阻尼振荡频率也会跟着总容量的变化发生变化，无法精确的固定50Hz 的频率，所以在实际测试时，振荡电压波的频率需要选择一个合理的范围，还需要符合国家的相关标准。
在选定的频率范围内，施加在电缆上的阻尼振荡电压在电缆故障点处产生的局部放电现象最接近工频电压时的效果。
通过振荡波法对电缆进行实验可以看成充电和振荡的步骤，对实验电缆加压的持续时间不会超过10s ，其中需要4s 左右进行充电，LC 振荡的时间不到1s 。
根据GB311.1-1997《高压输变电设备的绝缘配合》，加在实验试品上的电压属于暂时作用电压[3]，其频率在10<f<500Hz 之间，其对电缆绝缘的作用属于短时工频实验，所以在该情况下，电缆绝缘表现出的特性与在工频电压作用下的情况差不多。
开关电源的经典波形
开关电源的典型波形第1章波形1.1 概述在前面的章节中，己给出各拓扑关键点的电压和电流波形（如图2.1、国2.10、国3.1和图4.1）。
这些都是理想波形。
开关电源设计的初学茜可能会质疑这些波形的理想程度。
他们会问，实际波形与这些作为绝大部分设计基础的理论披形究竟有多接近。
初学者可能会想知边，这些被形是如何随电网电压和负载电流披萌变化的：接地总结上是否有噪声尖峰；电压、电流是否有被形的瞬态衰减振荡：波形的前后沿是否有抖功。
他们可能还会问，变压器或电感的置位伏在l、数和复位伏秒数是否完全相等：漏J事尖峰的形状如何：既然输出电感和反激变压器设计是要获得特定的电流波形，那么得到的实际披形与理论被形有多接近；既然高频下大部分功率开关管的损耗是由导通和关断时高电压和大电流的重叠3$:成的，那么这种现象是否可以在示披器中观察到：是否会看到某一类的波形畸变等。
为此，给出某些主要拓扑的关键点实际波形对刚开始学习高频开关电源波形的设计者来说是非常有益的，也可以增强他们对学斗电据设计的信心。
拍摄波形所选的拓扑都是主要的拓扑，如正激变换器、推挽变换器和反激变换器。
图1.6和图1.7给出了buck调节器的一些主要被形，示出输出电感工作在连续或不连续模式对电路的影响。
以F波形都取自功率同路，即从功率管输入到输出滤波器输出的回路。
因为这是大部分能量流通的路栓，是绝大部分故障容易发生的地方。
所选电路的工作频率都高于lOOkHz，由通信用直流电源供电一一这种电源的额定电压为48V，最低电以为38V，最高电压为60V。
所有情况下的输出功率都低于l OO W，因为功率更高时，电压及电流波形只是幅值有所不同，形状墓本不变。
这里未考虑电网供电的AC120V或220V输入的离线式变换器。
那些使用网压整流供电的电源与通信电源相比，相应各点上的波形基本相同。
只是网压整流供电电压比通信电源的高，使电压波形幅值增大，电流幅值减小。
由于这里给出的波形都取自通信电源直流输出，所以波形的相位与幅值抖动比由网乒整流供电的小。
开关电源中阻尼振荡波形
开关电源中阻尼振荡波形图(1)是一个典型的Buck-Boost电路，如果其电感中电流不连续，一般教材中其开关管集电极(或漏极)电压波形的波形如图(2)，其中上面曲线纵轴表示开关管T集电极(漏极)电压，下面曲线表示电感L中电流。
图(1)通常，对类似图(1)的开关电源电路分析时，总假定元件是理想的，即：忽略磁材料的非线性，忽略电感的电阻和电容的等效电阻，忽略晶体管和二极管的管压降，电容的容量足够大因而一个周期中电容两端电压不变化，等等。
而且假定电路已经达到稳态。
这个稳态指的是每个周期中占空比电压电流等与下一个周期相同。
图(2)图(2)中，从TA到TB这段时间开关管导通，集电极(或漏极)电压接近于零，因电流不连续，电感中电流已经为零，所以电感中电流从零开始线性上升，电感中储存的能量不断增加。
时刻TB开关管关断，但电感中电流不能突变，故电感中电流经二极管向电容C充电。
因为我们已经假定电容两端电压不会在一个周期中变化，所以电感中电流线性下降，电感中储存的能量向电容C转移，电感的自感电动势等于电容两端电压，方向上负下正。
所以三极管两端电压等于电源电压加上负载两端电压。
随着电感中储存的能量不断减少，在时刻TC电感中电流降到零，二极管关断。
因电感中电流不再变化，所以电感的自感电动势为零。
既然电感两端电压为零，功率管两端电压降低到电源电压，TC时刻之后开关管集电极电压出现一个“台阶”。
时刻TD功率管导通，开始重复上一周期过程。
图(3)但用示波器看功率管集电极电压波形，看到的却是如图(3)那样，时刻TC(二极管关断)到时刻TD(功率管导通)这段时间里，集电极电压是图中的衰减振荡波形。
很多开关电源的初学者感到迷惑：这是怎么回事？怎么和书上的不一样？甚至怀疑自己的电路有错误。
其实什么问题都没有，这是完全正常的波形。
那么，这样的波形是如何产生的？这样的波形与图(2)不一样，是由于前面的分析中我们把电路中的元件理想化，忽略了电感和功率管的分布电容而产生的。
基于TEA1751的反激式准谐振开关电源的设计
基于TEA1751的反激式准谐振开关电源的设计摘要：准谐振是一种能够实现零电压开通，减少开关损耗，降低EMI噪声的变换方式。
该文介绍了准谐振变换的工作原理，设计并实现了一种采用芯片TEA1751为控制电路的准谐振反激式开关电源。
与传统的反激式硬开关变换器相比，减少了开关管的开关损耗，提高了开关电源的效率。
关键词：开关电源；准谐振变换；零电压开关中图分类号：文献标识码：文章编号：0 引言随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于电子设备，是当今电子信息产业不可缺少的一种电源方式[1]。
由于开关电源频率的提高，开关电源苦工作在硬开关状态，开关管开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行。
关断时，电压上升和电流下降也同时进行。
电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急剧增加。
为了提高电源的效率，就必须减少开关管的开关损耗。
也就是要求开关电源工作在软开关状态。
软开关技术实际上就是利用电容与电感的谐振，以使开关管上的电压或通过开关管的电流按正弦或者准正弦规律变化，在减少开关损耗的同时也可控制浪涌的发生。
在软开关技术中，有全谐振、准谐振、多谐振等变换方式[3]。
本文引入准谐振变换方式来提高开关电源的效率。
1 反激式准谐振变换基本工作原理图1反激式准谐振开关电源的原理图图1所示为反激式准谐振开关电源的原理图，其中：RP 包括变压器初级绕组的电阻以及线路电阻，T为开关变压器，Lm 为初级励磁电感量，Llk为初级绕组漏感量，VT为MOS开关管，VD为整流二极管，Co为滤波电容，电容Cr 为缓冲电容，也是谐振电容，包括开关管VT 的输出电容COSS ，变压器的层间电容以及电路中的其他一些杂散电容。
图2反激式准谐振开关电源的工作波形准谐振变换的工作波形如图 2 所示，在准谐振变换中，每个周期可分为4个不同的时间段，各时间段分析如下：（1）t0～t1 时段开关管导通，输入电压全部加到初级电感（包括励磁电感Lm和漏感Llk）上，电感电流以斜率线性增大。
开关电源电路中产生的各种波形的由来
开关电源电路中产生的各种波形的由来1单管反激电路基本结构2两种模式DCM 和CCM1） CCM和DCM模式判断依据CCM和DCM的判断，不是按照初级电流是否连续来判断的。
而是根据初、次级的电流合成来判断的。
只要初、次级电流不同是为零，就是CCM模式。
而如果存在初、次级电流同时为零的状态，就是DCM模式。
介于二者之间的就是BCM模式。
2）两种模式在波形上的区别a. 变压器初级电流，CCM模式是梯形波，而DCM模式是三角波。
b. 次级整流管电流波形，CCM模式是梯形波，DCM模式是三角波。
c. MOS的Vds波形，CCM模式，在下一个周期开通前，Vds一直维持在Vin+Vf的平台上。
而DCM模式，在下一个周期开通前，Vds会从Vin+Vf这个平台降下来发生阻尼振荡。
（Vf次级反射到原边电压）。
因此我们就可以很容易从波形上看出来反激电源是工作在CCM还是DCM状态。
DCMCCM3MOSFET在开通和关断瞬间寄生参数对波形的影响在MOS关断的时候，Vds的波形显示，MOS上的电压远超过Vin+Vf！这是因为变压器的初级有漏感。
漏感的能量是不会通过磁芯耦合到次级的。
那么MOS关断过程中，漏感电流也是不能突变的。
漏感的电流变化也会产生感应电动势，这个感应电动势因为无法被次级耦合而箝位，电压会冲的很高。
那么为了避免MOS被电压击穿而损坏，所以我们在初级侧加了一个RCD吸收缓冲电路，把漏感能量先储存在电容里，然后通过R消耗掉。
当次级电感电流降到了零，这意味着磁芯中的能量已经完全释放了。
那么因为二管电流降到了零，二极管也就自动截止了，次级相当于开路状态，输出电压不再反射回初级了。
由于此时MOS的Vds电压高于输入电压，所以在电压差的作用下，MOS的结电容和初级电感发生谐振。
谐振电流给MOS的结电容放电。
Vds电压开始下降，经过1/4之一个谐振周期后又开始上升。
由于RCD箝位电路以及其它寄生电阻的存在，这个振荡是个阻尼振荡，幅度越来越小。
开关电源波纹的产生、测量及抑制,一篇全搞定
开关电源波纹的产生、测量及抑制，一篇全搞定开关电源纹波的产生我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度，达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生，首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。
上图是开关电源中最简单的拓扑结构-buck降压型电源。
随着SWITCH的开关，电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。
所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波，一般所说的纹波就是指这个。
它与输出电容的容量和ESR有关系。
这个纹波的频率与开关电源相同，为几十到几百KHz。
另外，SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET，不管是哪种，在其导通和截止的时候，都会有一个上升时间和下降时间。
这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声，一般为几十MHz。
同样二极管D在反向恢复瞬间，其等效电路为电阻电容和电感的串联，会引起谐振，产生的噪声频率也为几十MHz。
这两种噪声一般叫做高频噪声，幅值通常要比纹波大得多。
如果是AC／DC变换器，除了上述两种纹波（噪声）以外，还有AC噪声，频率是输入AC电源的频率，为50～60Hz左右。
还有一种共模噪声，是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器，产生的等效电容导致的。
开关电源纹波的测量基本要求：使用示波器AC耦合20MHz带宽限制拔掉探头的地线1、AC耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。
2、打开20MHz带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。
因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。
3、拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。
很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。
但在判断是否合格时要考虑这个因素。
还有一点是要使用50Ω终端。
横河示波器的资料上介绍说，50Ω模块是除去DC成分，精确测量AC成分。
但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ到10MΩ的探头测量，影响暂时不清楚。