一种DC/DC开关电源输入有源差模滤波装置及滤波方法与流程

一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置及滤波方法
技术领域
1.本发明涉及滤波器技术领域，尤其涉及一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置及滤波方法。


背景技术：

2.dc/dc开关电源以输入电源范围宽、高效率、功率密度高等优点，广泛应用在电子设备用电领域，但其高频开关工作特性带来大量的电磁干扰问题，为了通过电磁兼容认证及满足系统电磁兼容需要，dc/dc开关电源需要在电源输入端增加滤波器以限制输出电磁干扰。
3.目前dc/dc开关电源输入滤波器大多采用无源滤波器，无源滤波器由电容和电感等无源器件组成，为了滤除较低频率的差模电磁干扰，需要采用较大量值的电感器和电容器，这就使得滤波器体积和重量较大，限制了dc/dc开关电源系统小型化发展。
4.另一种降低输入电磁干扰的方法是采用有源滤波器。目前大多有源滤波器原理是通过检测原电磁干扰电流信号，补偿一个与之大小相反方向相反的电流信号进行抵消，实现抑制dc/dc开关电源输入电磁干扰。采用有源滤波器可以较大程度地减少无源器件电感器和电容器的体积和重量，减少滤波器的大小。但目前这种方法对于滤除干扰电流值较小的共模干扰具有优势，但对于干扰电流值较大的差模干扰则存在局限性，需要较大功率元器件和较复杂的控制电路。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置及滤波方法，用以解决现有滤波器对于干扰电流值较大的差模干扰存在局限性以及现有滤波器的体积和重量较大的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置，包括输入电源和用于滤波控制差模干扰电流的功率回路，其中，所述功率回路包括：dc/dc开关电源，在其开关管关断时在所述功率回路中形成所述差模干扰电流；以及滤波电路，与所述dc/dc开关电源串联，用于滤除所述差模干扰电流，其中，通过控制所述滤波电路的功率晶体管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量。
7.上述技术方案的有益效果如下：通过控制滤波电路的功率晶体管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量，进而能够抑制干扰电流值较大的差模干扰。
8.基于上述方法的进一步改进，所述滤波电路包括：电容器，与所述dc/dc开关电源并联，以及所述电容器和所述dc/dc开关电源的一端与所述输入电源的正极端vin+连接；所述功率晶体管，其漏极端d与所述电容器和所述dc/dc开关电源的另一端连接，其源极端s与电阻器r5的一端连接，其栅极端与所述输入电源的负极端vin-连接，以控制所述功率回路的电流；以及电阻器r5，其一端与所述功率晶体管的源极端s连接，以及其另一端与所述输
入电源的负极端vin-连接。
9.基于上述方法的进一步改进，dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置，还包括保护电阻器r4，所述保护电阻器r4连接在所述功率晶体管的栅极g和所述输入电源的负极端vin-之间。
10.基于上述方法的进一步改进，dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置，还包括：前馈控制回路，用于对所述功率晶体管的栅极进行周期补偿以调节所述功率晶体管的快速性；反馈控制回路，用于控制所述功率回路的电流的稳定性；以及稳压电源电路，用于为所述反馈控制回路提供控制电源。
11.基于上述方法的进一步改进，所述稳压电源电路包括：第一电阻器r1，与所述输入电源的正极端vin+；电压调整二极管v2，其阴极与所述第一电阻器连接，并且其阳极与所述输入电源的负极端vin-；以及第四电容器c4，与所述电压调整二极管并联。
12.基于上述方法的进一步改进，所述反馈控制回路包括运算放大器n1、第五电容器c5、第六电容器c6、第六电阻器r6、第七电阻器r7和第八电阻器r8，其中，所述运算放大器的正向输入端与所述第七电阻器r7和所述第五电容器c5的一端连接；所述运算放大器的反向输入端与所述第六电阻器r6和所述第八电阻器r8的一端连接；所述运算放大器的正向电源经由第三电阻器r3与所述电压调整二极管v2的阴极连接；所述运算放大器的负向电源与所述电压调整二极管的阳极和所述第五电容器c5的另一端连接；以及所述运算放大器的输出端与所述第六电容器c6的一端连接，其中，所述第六电容器的另一端与所述第八电阻器r8的另一端连接，所述第六电阻器r6和所述第七电阻器r7的另一端分别与所述功率晶体管的源极端连接。
13.基于上述方法的进一步改进，所述前馈控制回路包括三极管v3、第九电阻器r9、第三电容器c3和第二电阻器r2，其中，所述三极管v3的发射极与所述功率晶体管的栅极连接；所述三极管v3的集电极与所述输入电源的负极端vin-连接；所述三极管v3的基极与所述第三电容器c3和第九电阻器r9的一端连接；所述第三电容器c3的另一端与第二电阻器r2的一端连接；以及所述第二电阻器r2的另一端与所述功率晶体管的漏极连接。
14.基于上述方法的进一步改进，所述电容器包括并联的第一电容器c1和第二电容器c2，其中，第一电容器c1，为极性电容器，用于对所述功率回路的电流进行充放电；第二电容器c2，用于对高频干扰信号进行滤波。
15.基于上述方法的进一步改进，所述功率晶体管为n型功率mosfet。
16.另一方面，本发明实施例提供了一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波方法，包括：通过所述输入电源为功率回路提供输入电源；在dc/dc开关电源的开关管关断时，在所述功率回路中形成所述差模干扰电流；以及通过与所述dc/dc开关电源串联的滤波电路滤除所述差模干扰电流，其中，通过控制所述滤波电路的功率管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量。
17.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
18.1、本发明滤波装置使电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量，进而能够抑制干扰电流值较大的差模干扰；
19.2、本发明采用常用电子元件，通过元件参数的配合，使得dc/dc开关电源输入差模电磁干扰得到了有效抑制,具有所需体积、重量较小，控制电路简易，功率较大等优点；
20.3、通过前馈控制电路保障功率晶体管控制的快速性，使流过功率晶体管的电流保持恒定，以实现在dc/dc开关电源每个周期快速调节；以及
21.4、通过反馈控制电路和稳压电路电路使功率回路的电流稳定。
22.本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
23.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
24.图1为根据本发明实施例的dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置的电路图；
25.图2为根据本发明实施例的dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置的工作等效电路图；
26.图3为根据本发明实施例的dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置中的功率mosfet的工作状态图；以及
27.图4为根据本发明实施例的dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置的工作波形图。
28.附图标记：
29.102-滤波电路；104-反馈控制回路；106-前馈控制回路；108-稳压电源电路
具体实施方式
30.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
31.本发明的一个具体实施例，公开了一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置，如图1所示。下文中，将参考图1对dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置进行详细描述。
32.参考图1，dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置，包括输入电源和用于滤波控制差模干扰电流的功率回路，其中，功率回路包括：dc/dc开关电源，在其开关管关断时在功率回路中形成差模干扰电流；以及滤波电路102，与dc/dc开关电源串联，用于滤除差模干扰电流，其中，通过控制滤波电路102的功率晶体管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量。具体地，电源输入电流保持近似恒定值可以是将电源输入电流保持为恒定值的95％至105％之间，即，该近似恒定值指的是允许存在可接受的电流误差，例如，
±
5％的电流误差。
33.与现有技术相比，本实施例提供的滤波装置，通过控制滤波电路的功率晶体管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以可以大幅度消减差模高频电流分量，进而能够有效抑制干扰电流值较大的差模干扰。
34.在本发明的实施例中，滤波电路102可以包括：电容器，与dc/dc开关电源并联，以及电容器和dc/dc开关电源的一端与输入电源的正极端vin+连接；功率晶体管，其漏极端d与电容器和dc/dc开关电源的另一端连接，其源极端s与电阻器r5的一端连接，其栅极端与输入电源的负极端vin-连接，以控制功率回路的电流，例如，功率晶体管为n型功率mosfet；
以及电阻器r5，其一端与功率晶体管的源极端s连接，以及其另一端与输入电源的负极端vin-连接。电容器可以包括并联的第一电容器c1和第二电容器c2，其中，第一电容器c1，为极性电容器，用于对功率回路的电流进行充放电；第二电容器c2，用于对高频干扰信号进行滤波。dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置还可以包括保护电阻器r4，保护电阻器r4连接在功率晶体管的栅极g和输入电源的负极端vin-之间。
35.dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置还可以包括：前馈控制回路106，用于对功率晶体管的栅极进行周期补偿以调节功率晶体管的快速性；反馈控制回路104，用于控制功率回路的电流的稳定性；以及稳压电源电路108，用于为反馈控制回路提供控制电源。
36.在本发明的实施例中，稳压电源电路108可以包括：第一电阻器r1，与输入电源的正极端vin+；电压调整二极管v2，其阴极与第一电阻器连接，并且其阳极与输入电源的负极端vin-；以及第四电容器c4，与电压调整二极管并联。
37.在本发明的实施例中，反馈控制回路104可以包括运算放大器n1、第五电容器c5、第六电容器c6、第六电阻器r6、第七电阻器r7和第八电阻器r8，其中，运算放大器的正向输入端与第七电阻器r7和第五电容器c5的一端连接；运算放大器的反向输入端与第六电阻器r6和第八电阻器r8的一端连接；运算放大器的正向电源经由第三电阻器r3与电压调整二极管v2的阴极连接；运算放大器的负向电源与电压调整二极管的阳极和第五电容器c5的另一端连接；以及运算放大器的输出端与第六电容器c6的一端连接，其中，第六电容器的另一端与第八电阻器r8另一端连接，第六电阻器r6和第七电阻器r7的另一端分别与功率晶体管的源极端连接。
38.在本发明的实施例中，前馈控制回路106可以包括三极管v3、第九电阻器r9、第三电容器c3和第二电阻器r2，其中，三极管v3的发射极与功率晶体管的栅极连接；三极管v3的集电极与输入电源的负极端vin-连接；三极管v3的基极与第三电容器c3和第九电阻器r9的一端连接；第三电容器c3的另一端与第二电阻器r2的一端连接；以及第二电阻器r2的另一端与功率晶体管的漏极连接。
39.下文中，以具体实例的形式对dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置进行详细描述。
40.本发明为了克服现有有源滤波技术在dc/dc开关电源输入差模滤波应用中的不足，提出一种对dc/dc开关电源输入差模电磁干扰有较强抑制作用的有源滤波电路，特别适用于大功率dc/dc开关电源输入差模滤波的应用。
41.dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置包括：极性电容c1、电容c2，还包括:n型功率mosfet v1、电压调整二极管v2、pnp型三极管v3、运算放大器n1、电阻r1～r9和电容c3～c6。
42.输入端vin+与极性电容c1的正极、电容c2的一端以及输出端正极vo+连接，电阻r1的另一端与电压调整二极管v2的阴极、电容c4的一端和电阻r3的一端连接，电阻r3的另一端与运算放大器n1的电源正极v+相连；极性电容c1的负极、电容c2的另一端、与n型功率mosfet v1的漏极d、电阻r2的一端以及输出端负极vo-连接，电阻r2的另一端与电容c3的一端连接，电容c3的另一端与电阻r9的一端、pnp型三极管v3的基极b相连；n型功率mosfet v1的源极s与电阻r5的一端、电阻6的一端和电阻r7的一端相连，电阻r6的另一端与运算放大器n1的输入负极、电阻r8的一端连接，电阻r7的另一端与运算放大器n1的输入正极和电容
c5的一端连接，电阻r8的另一端与电容c6的一端连接，电容c6的另一端与运算放大器n1的输出端、pnp型三极管v3的发射极e、n型功率mosfet v1的栅极g、电阻r4的一端连接；电压调整二极管v2的阳极与电容c4的另一端、电阻r4的另一端、电阻r5的另一端、电阻r9的另一端、电容c5的另一端、运算放大器n1的电源负极v-以及输入端vin-连接。
43.工作时将输入电源正负极分别与输入端vin+、vin-连接，输出端vo+、vo-分别接dc/dc开关电源的正负极。输入电源通过极性电容c1、电容c2、dc/dc开关电源、电阻r5和n型功率mosfet v1组成的功率回路进行输入差模电流滤波控制。n型功率mosfet v1起到控制功率回路电流控制作用；极性电容c1起充放电流作用，电容c2起滤波高频干扰作用；电阻r5起功率回路电流测量作用；运算放大器n1及电阻r6～r8、电容c5和电容c6组成反馈控制回路，起功率回路电流稳定控制作用；电阻r2、电阻r9、电容c3和pnp型三极管v3组成前馈控制回路，起增强功率回路电流稳定控制作用；电阻r1、电压调整二极管v2以及电容c4组成稳压电源电路，为运算放大器n1等器件组成的控制回路提供控制电源；电阻r4起n型功率mosfet v1栅极g端泻流作用，防止v1的g端电压过高造成v1损坏。
44.工作原理为：由于dc/dc电源处于开关状态，在一个开关周期内当开关管导通时，输入电流为较大值，在开关管关断时，输入电流截至近似为零，这就形成了从输入电源端吸收周期脉冲状不连续电流，这种不连续脉冲电流等效为直流分量和幅值较大的高频分量，高频分量电流会在功率回路中形成电磁波，造成差模电磁干扰。为了消除差模电磁干扰，需要抑制dc/dc电源输入电流的高频交流分量。根据dc/dc开关电源原理可等效为脉冲电流源idc,等效电路如图2所示，由输入稳压电源电路vin、功率回路等效电感l1、滤波电容c1、dc/dc等效电流源idc和n型功率mosfet v1组成。为了实现对输入电流高频分量的抑制，可利用n型功率mosfet如图3所示的输出特性曲线，工作原理如图4所示，当t1时刻等效电流源idc为截止零时，控制n型功率mosfet v1栅源极电压处于较低电平vgs_min，此时v1工作在放大状态,随着漏源极两端电压变化电流保持恒定为io，以恒流源方式为电容c1充电；电容c1充电过程中电压逐渐上升，此时控制n型功率mosfet v1栅源极电压逐渐增加至vgs_max，保持输入电流恒定为io为电容c1充电；在t2时刻idc开通电流峰值上升至ip,此时充电电流io小于ip，则控制n型功率mosfet v1栅源极电压逐渐减少至vgs_min，保持v1流过电流io恒定，电容c1则放电，补充开通所需的电流。可见，在一个开关周期内，从输入电源端吸收的电流保持恒定直流分量io，高频交流分量得到了有效抑制，从而消除了差模电磁干扰。
45.为了实现上述功能，需要进行图1所示的控制：流过n型功率mosfet v1的电流通过电阻r5的采样，一路通过电阻r7、电容c5滤波后生长有效直流给定信号，输送至运算放大器n1的正输入端，另一路经过电阻r6输送至运算放大器n1的负输入端，两者通过n1和电阻r8、电容c6组成的校正控制环节，产生保持v1输出电流恒定的电压控制信号输出至n型功率mosfet v1的栅极，保证了输出v1电流的恒定。为了实现在dc/dc开关电源每个周期快速调节，通过电阻r2、c3对电容c1端电压进行采样，通过电阻r9、pnp型三极管v3叠加在v1的栅极进行周期补偿调节，从而保障了n型功率mosfet v1控制的快速性，使得v1流过电流保持恒定。实现dc/dc开关电源输入电流为连续恒定直流，消除了高频交流分量，抑制了输入差模电磁干扰。
46.本发明采用常用电子元件，通过元件参数的配合，使得dc/dc开关电源输入差模电磁干扰得到了有效抑制,具有所需体积、重量较小，控制电路简易，功率较大等优点。该电路
适用于大功率dc/dc开关电源输入差模滤波领域的应用。
47.本发明的另一个具体实施例，公开了一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波方法，包括：通过输入电源为功率回路提供输入电源；在dc/dc开关电源的开关管关断时，在功率回路中形成差模干扰电流；以及通过与dc/dc开关电源串联的滤波电路滤除差模干扰电流，其中，通过控制滤波电路的功率管的导通阻抗，使得电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量。具体地，电源输入电流保持近似恒定值可以是将电源输入电流保持为恒定值的95％至105％之间，即，该近似恒定值指的是允许存在可接受的电流误差，例如，
±
5％的电流误差。
48.dc/dc开关电源输入有源差模滤波方法还包括多个其他步骤。由于dc/dc开关电源输入有源差模滤波方法与一种dc/dc开关电源输入有源差模滤波装置相对应，所以为了避免赘述，省略了多个其他步骤。
49.与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
50.1、本发明滤波装置使电源输入电流保持近似恒定值，以消减差模高频电流分量，进而能够抑制干扰电流值较大的差模干扰；
51.2、本发明采用常用电子元件，通过元件参数的配合，使得dc/dc开关电源输入差模电磁干扰得到了有效抑制,具有所需体积、重量较小，控制电路简易，功率较大等优点；
52.3、通过前馈控制电路保障功率晶体管控制的快速性，使流过功率晶体管的电流保持恒定，以实现在dc/dc开关电源每个周期快速调节；以及
53.4、通过反馈控制电路和稳压电路电路使功率回路的电流稳定。
54.本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。
55.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。