带有纹波采集电路的开关电源装置及其抑制输出纹波方法与流程

本发明涉及开关电源领域，尤其涉及一种减小电源输出纹波小的开关电源。

背景技术：

开关电源因其能体积小、效率高、功率密度大等特点，广泛应用于航天、航空、船舶、工业控制等领域。其工作原理是控制电路通过输出电压的反馈与基准电压作比较，通过比较结果对开关器件导通/关闭时间的控制，从而达到输出电压稳定。

因开关电源的基本原理，其输出电流包含有电流纹波，通过所加的输出电容，电容中包含一定量的等效串联电阻(esr(equivalentseriesresistance)),可将电流纹波，转换为输出电压纹波，因此，一定量的等效串联电阻，对传统开关电源是必不可少的，与现在数字领域要求纹波电压越来越小相冲突。

因此，本发明提供了一种减小开关电源输出纹波大小的电路，在不改变开关电源的稳定型的基础上，可减小开关电源输出电压纹波电压，或在输出纹波一定的前提下，缩小输出电容的大小，减小开关电源体积的一种电路。

技术实现要素：

本发明在原电压反馈开关电源的基础上增加一条反馈回路，通过两条反馈的结果相叠加后与基准电压进行比较，来控制开关器件的导通时间或开关周，可用于解决在原开关电源纹波的基础上进一步减小输出电压纹波或要求原开关电源输出电压纹波一定的情况下，进一步减小输出电容的大小，从而缩小输出电容的体积，达到减小输出开关电源尺寸的目的。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：带有纹波采集电路的开关电源装置，包括开关电源以及与其连接的纹波采集电路；

开关电源，用于dc/dc直流电压转换，将输出带有纹波的直流电压信号输入至纹波采集电路，并将纹波采集电路的输出电压进行处理，使开关电源输出的纹波电压比无纹波采集电路连接时输出的纹波电压小，或者在纹波大小设定的前提下使用的输出电容比无纹波采集电路连接时的输出电容小；

纹波采集电路，用于将开关电源输出直流电压信号中的纹波提取出来，输至开关电源的电压反馈端，与开关电源的电压反馈电路一起影响开关电源的纹波或输出电容大小。

所述纹波采集电路包括电压跟随器以及与其连接的直流偏置电路；电压跟随器的正向输入端通过电容c2与开关电源的输出端vout连接，还通过直流偏置电路与外部电源连接；电压跟随器的反向输入端与电压跟随器的输出端连接；电压跟随器的输出端通过电容c4与开关电源的电压反馈端pb连接；

所述直流偏置电路包括电阻r2和电阻r3；电压跟随器的正向输入端通过r2与外部电源连接、还通过r3接地。

所述开关电源的输出端vout与电容c2之间连有限流电阻r1。

所述电压跟随器的正向输入端通过电阻r4与电阻r2连接。

所述电阻r3并联有滤波电容c3。

所述电压跟随器的输出端与反向输入端的结点与电容c4之间连有电阻r5。

所述开关电源为buck降压型开关电源或者具有电压反馈的dc/dc电源模块。

带有纹波采集电路的开关电源装置抑制输出纹波方法，包括以下步骤：

开关电源输出带有纹波的直流电压信号至纹波采集电路，并反馈至开关电源内部的第1电压比较器；

纹波采集电路将开关电源输出端的纹波电压进行采集，滤除开关电源输出的直流电压部分，然后将采集后的纹波电压与纹波采集电路内部的直流偏置电压进行叠加，通过电压跟随器，然后对直流偏置部分进行滤除，得到非直流的纹波反馈电压；

开关电源电压反馈端fb采集的电压反馈和纹波采集电路输出的纹波电压叠加后，经开关电源的第1电压比较器将叠加的电压与基准电压进行比较；比较结果经第2电压比较器与三角波进行比较，输出与三角波相同频率的pwm信号波形；pwm信号波形通过驱动器驱动开关器件的导通与关断，抑制输出纹波电压。

所述纹波采集电路执行以下步骤：

当开关电源的输出端vout产生纹波或突变时，通过电阻r1对电容c2进行从放电，电容c2与电阻r4相连的部分产生电压变化，从而叠加到由电阻r2、r3分压后产生的直流偏压；

该直流偏压经电压跟随器后，电压跟随器的输出电压跟随电压跟随器正相输入端电压，电压跟随器的输出电压经电阻r5对电容c4进行充放电，c4去除直流电压得到纹波反馈电压，并反馈到开关电源第1电压比较器的输入端。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明在不改变原电源模块设计的前提下，可减小电源模块输出纹波的大小。

2.本发明在要求相同输出纹波大小的前提下，可减小原电源模块输出电容的大小。

3.本发明的纹波采集电路能够对开关电源的输出纹波进行采集，并将采集后的纹波输出至开关电源的基准电压端。

4.通过反馈电阻对输出电压进行采集并与本发明的纹波采集电路的输出纹波电压叠加后与基准电压进行比较，将比较后的结果控制开关器件导通/关断时间或开关周期的非隔离电压控制电源中，在不改变原开关电源稳定型的前提下，能够稳定输出电压，减小开关电源输出电压纹波大小。

附图说明

图1是本发明实施方式的纹波采集电路原理框图。

图2是本发明的电路原理图。

图3是开关电源的电路原理框图。

图4a是开关电源输出电压及其纹波大小示意图。

图4b是开关电源输出电压及其纹波经电压反馈分压后的大小示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明在原开关电源电压反馈电路的基础上，添加纹波采集电路，通过开关电源电压反馈和纹波采集电路两部分反馈的共同结果，增加开关电源系统反馈的灵敏度，从而提高开关电源稳定性减小输出纹波的大小的特点。本发明在不改变原开关电源稳定型的前提下，能够稳定输出电压，减小开关电源输出电压纹波大小或在纹波大小一定的前提下减小输出电容的大小。

其中，纹波采集电路包括：

纹波或电源突变输出电压采集端，将开关电源电压输出信号中的非直流信号进行采集；

直流偏置端，给电压跟随器提供直流信号；

电压跟随器，起到隔离作用，从而减小对开关电源稳定型的影响；

纹波或电源突变输出电压采集端，将非直流信号进行输出；

其中电压跟随器为集成运放，将其负端输入端与其输出端相连组成的。

本发明在原电压反馈开关电源的基础上增加纹波采集电路，将原电压反馈和纹波采集电路两部分反馈的电压结果叠加后与基准电压进行比较，通过比较后的结果控制开关器件的导通时间或开关周期，实现输出电压稳定和减小纹波大小的目的。

图1是本发明实施方式的原理框图。本实施方式是在开关电源开关频率一定的基础上，通过控制开关管的导通/关断时间，将输入电压调至到输出电压的降压型dc/dc开关电源。

本发明纹波采集电路包含r1～r5、c2～c4和电压跟随器comp。其中电压跟随器具有输出电压大小跟随输入电压大小的性质。

电阻r1的第一端和开关电源的输出端out相连，电阻r1的第二端和电容c2的第一端相连，电压跟随器comp的正输入端和电容c2的第二段以及电阻r4的第一端相连。电阻r4的第二端和电阻r2、r3、电容c3的第一端相连。电阻r2的第二段和输入电源vcc相连，电阻r3的第二端和电容c3的第二端相连后接地。电压跟随器的输出端和电阻r5的第一端相连。电阻r5的第二端和电容c4的第一端相连。电容c4的第二段端和原开关电源的输出采集电阻rfb1的第二端和电阻rfb2的第一端以及开关电源内部用于与基准电压做比较的比较器的输入端。

本发明电路具体实施方式是以buck降压型开关电源为例加以说明的，如图2所示。

其中buck降压型开关电源的典型电路如下：在集成电路外部，电感l1的第一端和集成电路的管脚sw相连。电感l1的第二端和输出电容c1的第一端、电阻rfb1的第一端和开关电源的输出端out相连。输出电容c1的第二端和地端相连。电阻rfb1的第二端和电阻rfb2的第一端、电容c4的第二段以及集成电路的fb端相连。电阻rfb2的第二端和地端相连。电阻rfb1和电阻rfb2构成电压反馈电路。

在集成电路内部集成了如下；两个n沟道场效应管sw1和sw2、驱动器drv、pwm发生器、三角波发生器、电压比较器ea、基准电压源ref。

如图3所示，所述集成电路具备：

第1电压比较器(ea)，电压反馈部分和输出纹波采集部分的反馈结果和基准电压进行比较；

第2电压比较器(pwm)，第1电压比较器的输出端连接第2比较器的输入端，三角波进行比较，输出与三角波相同频率的pwm信号波形；

三角波生成器，产生具有固定周期和幅值的三角波；

驱动器，pwm信号波形通过驱动器用于驱动开关器件的导通与关断。

纹波采集电路不仅可应用在buck降压型开关电源，凡具有电压反馈的dc/dc电源模块均可使用。

当未使用本发明电路时，因为开关电源的性质，其电感电流为图4a所示的三角波，通过输出电容，由于输出电容中包含一定量的等效串联电阻(esr(equivalentseriesresistance)),可将电流纹波，转换为输出电压纹波，输出电压纹波通过电压反馈，将反馈的结果与基准电压ref，将比较后的结果通控制与过驱动部分，控制开关器件导通/关断时间，从而达到稳压的目的。因为电压反馈是通过电阻分压的原理进行采集的，因此纹波幅值经电阻分压后，分得的电压要比实际的纹波幅值要小,如图4b所示，设开关电源的纹波幅值为vpp,则分压后的纹波大小为(vpp*rfb1/(rfb1+rfb2)。因为集成电路内第1电压比较器的基准电压均具有一定的稳压范围，如图4b红线所示，其基准电压大小为fb，因此只有当分压后的纹波大小在图4b所示两条红线之内，输出电源才能稳定。

我们假设开关电源的纹波幅值为vpp可以满足开关电源系统稳定。当在该开关电源的基础上，加上本发明设计电路，其中1端连接开关电源输出端，2端连接开关电源电压反馈的输入端(即原开关电源的输出采集电阻rfb1的第二端和电阻rfb2的第一端以及开关电源内部用于与基准电压做比较的第1比较器(ea)的输入端),3端接输入直流电源(也可以是其他的电源)，4端接开关电源的地端。其中r1、r4、r5为限流电阻，c2、c4为隔离电容，c3为去耦电容，r2、r3为分压电阻，为电压跟谁器提供直流电压的作用，comp为电压跟随器，输出电压跟随正端输入电压。

连接完毕后，输出纹波通过原开关电源的电压反馈采集，也通过本发明的电路进行采集，基本原理如下：当输出电压端产生纹波或突变时，通过电阻r1对电容c1进行从放电，由于电容两端电压不能产生突变，因此电容c2与电阻r4相连的一段也会因为电容c2的从放电而产生电压变化，从而叠加到由电阻r2、r3分压后产生的直流偏压，经电压跟随器后，其输出电压跟随电压跟随器正相输入端电压，电压跟随器输出电压经电阻r5对电容c4进行充放电，c4去除直流电压，将开关电源输出纹波或突变电压反馈到开关电源第1电压比较器(ea)的输入端。

我们已经假设目前开关电源的纹波幅值大小为vpp，此时，通过本设计可将纹波全部传递到开关电源第1电压比较器(ea)的输入端。因未加本设计时关电源第1电压比较器(ea)的输入端的电压为(vpp*rfb1/(rfb1+rfb2)可保持系统稳定，因此必须使输出电压纹波减小rfb1/(rfb1+rfb2)倍，系统才能再次稳定，因此，在使用了本发明电路可使原开关电源输出稳定、输出纹波减小。

当纹波电压减小，输出电流不变时，由欧姆定律可知，可减小输出电容等效串联电阻，因此，可减小输出电容尺寸。

以上所述的仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明精神和理论的基础上进行的任何修改、替换、改进等，或把本发明电路应用到其他电路中去，均应包含在本发明的保护范围之内。