一种开关电源的能力提升设计
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摘 要：本文论述了一种电源模块通过滤波电路设计、内部电源变换改进设计、电流电压调整参数、PCB布局调整等改进设计，使得电源模块的从带载能力及最大功率使用上满足了设备使用要求。
关键词：滤波;抑制;变化;调整
1.前言
某开关电源用于通信设备中，用于将输入的直流电源转换为多路直流电源，用于机通内各单元的电源输入。该开关电源是一款多路输出的、多功能的模块，具有输入反接保护、过压保护、浪涌保护、尖峰抑制、应急控制等功能。
由于电源模块在使用过程中，发现模块带载能力较差，最大功率不能满足设备使用，所以，需要对该电源模块提升带载能力以及提高最大功率使用以满足设备需求。
2.电路原理介绍
电路原理为通过滤波处理、浪涌及尖峰抑制处理，并经电源隔离处理后输出相对应的需要电压接口。本文主要从以下几个方面进行改进设计。
2.1.EMI滤波电路设计
DC-DC变换器中，由于寄生参数的存在以及开关管的高速导通和关断，使得变换器在输入输出端产生较大的干扰噪声。干扰噪声是差模分量和共模分量共同作用的结果。差模噪声就是通常意义上的噪声，产生的干扰信号与工作信号将以电势源的形式串联加于变换器的输入端，会对系统产生直接的影响。共模噪声发生在每根传输线和地线之间。共模干扰是由共模电流引起的，DC-DC变换器中的各器件之间和器件与机壳之间都存在寄生电容，导线存在寄生电感，这些寄生参数构成了一个寄生传输网络。当功率开关高速开通与关断时，会产生一个脉冲序列——脉冲源，该脉冲源通过寄生传输网络在变换器的输入、输出线与地线之间产生共模电流干扰。
电磁干扰从设备内发射出来或进入设备只有两个途径，就是空间电磁辐射的形式和电流沿着导体传导的形式。现在已发现输入输出滤波器不仅对电源线传导发射（CE102）和传导敏感度（CS101）的测试有作用，还对辐射发射（RE102）、电缆束注入传导敏感度和静电放电的测试也有作用，因为通过试验已证明电源线及各种输入输出引线产生的辐射远高于线路板本身的辐射及机壳机箱屏蔽不完整所产生的辐射，设备引线是主要的辐射源同时又是敏感度很高的接收器，在EMC測试中辐射敏感度、电缆束注入敏感度、静电放电等测试会在电源线上产生共模电压，当共模电压转变为差模电压时，就会对电路产生影响。
EMI滤波器主要用来滤除导线上的电磁干扰，由于电磁干扰的频率范围很宽，一般从几十kHz到几百MHz，因此滤波器的有效滤波频率要覆盖这么宽的范围。由于DC-DC变换器的主要干扰源是由开关频率产生的高次谐波，以及高频电磁波更容易接收而对设备造成干扰，因此这些干扰均以高频为主，所以EMI滤波器采用低通滤波器。
低通滤波器的电路形式有多种。滤波器的选择主要取决于要抑制的干扰频率与工作频率之间的差别和滤波器所接电路的阻抗。但是实际电路的阻抗很难估算，特别是在高频时，由于电路受杂散参数的影响，电路的阻抗变化很大，而且电路阻抗在不同的频率上也不一样。因此，在实际电路中，哪一种滤波器更有效，主要靠试验的结果确定。
产品中设计的EMI滤波器电路如图2。图2中的C1、C2、C3、L1构成差模滤波电路以滤除差模干扰。 C4、C5、L2构成共模滤波电路以滤除共模干扰。C4、C5用的Y电容（跨接在正线和回线与机壳之间，对共模电流起旁路作用，共模滤波电容一般取10000pF以下）。同时，将输入、输出端正线和回线同向共磁芯绕制成共模电感L1，抑制共模噪声干扰。
2.2.内部电源变换部分设计
2.2.1.电路拓扑选取
根据需求分析，通过内部的母线变换器实现功率隔离转换。功率隔离转换电路采用反激拓扑电路实现。 该拓扑电路具有：元器件数量少、转换效率高、电路简单、器件选取方便等特点。
2.2.2.电路拓扑分析
单端反激电路拓扑图如图3所示。
反激式变压器开关稳压电源通过改变控制开关的占空比来调节开关电源的输出电压和对储能滤波电容的充、放电电流来达到稳定电压输出。
2.2.3.变压器设计
结合用户的功率需求，变压器的磁芯选用了输出功率容量大、高度低、PC40材质的通用铁氧体磁芯。在变压器的线径选取上，经精心计算，选用合适的高强度漆包线和绝缘材料达到变压器的磁损与铜损的平衡。
2.3.电流、电压调整率
产品设计中，每路输出电压采用电阻进行电压采样，通过运放组成负反馈控制回路进行控制。合理设计电路中相关参数，确保电流、电压调整率满足要求。
3.小结
通过对电源模块进行滤波电路、内部电源变换、电流电压调整率等设计改进，使得电源模块的带载能力及最大功率满足了设备需求。
参考文献：
[1] 杜少武.现代电源技术.合肥工业大学出版社，2010.
[2] 何宏，杜明星，张志宏.清华大学出版社，2017.
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