CN102916571A

CN102916571A - 一种能够抑制低频噪声的电源

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Publication number: CN102916571A
Application number: CN201210378109XA
Authority: CN
Inventors: 阳晓彬; 朱正贤; 刘永峰; 李俊平; 邓向科
Original assignee: China Academy of Space Technology CAST
Current assignee: China Academy of Space Technology CAST
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102916571B

Abstract

本发明公开了一种能够抑制低频噪声的电源，包括输入滤波电路、和稳压采样电路；其特征在于，输入滤波电路包括电感L1，电阻R1、电容C1、电阻R2；其中电感L1、电容C1组成第一级差模滤波电路，电阻R1与电阻L1并联，电阻R2与电容C1串联；稳压采样电路包括采样电阻R3、运算放大器N1、补偿环路、电阻R4和电容C3；电阻R4与电容C3串联后，并联在采样电阻R3两端；整流滤波电路输出的电压通过采样电阻R3与运算放大器N1的反向输入端相连，运算放大器的正向输入端与基准电压相连；同时，运算放大器N1的反向输入端通过补偿环路与运算放大器的输出端相连。本发明在不改动电源拓扑结构、降低电路复杂程度、降低功耗的基础上，改善电源低频纹波的抑制能力。

Description

一种能够抑制低频噪声的电源

技术领域

本发明涉及一种电源。

背景技术

小型化微波接收机电源为接收机的一部分，实现一次电源和二次电源的电压隔离变换及稳定输出。与大多数电子设备不同，接收机电路特别是其中的本振电路对供电电压的交流噪声(纹波)非常敏感，其交流噪声的幅度直接决定了接收机能否具备超低杂波调制性能。

相关资料和以往研制经验表明，当供电电压噪声幅度超过10mV后，本振电路的杂波抑制能力便开始恶化，而国内外常规DC/DC变换器的+12V输出噪声峰-峰值一般都在30～75mV之间。虽然在本振电路的供电输入端串联L-C滤波器，能进一步衰减电源开关频率的噪声(100～500kHz)，但对低频噪声(＜10kHz)的效果则相当有限。

通常要减少电源输出电压的低频纹波主要是通过加强L-C滤波、采用电流控制型电路、输出端串联线性稳压器三种措施。

加强L-C滤波器的低频滤波效果，需要加大电感、电容的尺寸，这必将导致电源体积变大。

采用电流控制型电路需要设计专门的电流采样电路、斜坡补偿电路等，电路相对复杂，而且实际效果还受电源占空比和功率大小等因素的影响。另外，据相关资料介绍，电流控制型控制电路不适宜在半桥式电路上采用。

串联线性稳压器可以改善低频纹波的抑制能力，但不足以完全解决接收机相噪恶化的问题，而且其输入-输出压差会产生较大的功耗，不能在所有输出电压上采用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种电源，在不改动电源拓扑结构、降低电路复杂程度、降低功耗的基础上，改善电源低频纹波的抑制能力。

本发明包括如下技术方案：

一种能够抑制低频噪声的电源，包括输入滤波电路、半桥变换器、脉宽调制电路、功率变压器、整流滤波电路和稳压采样电路；其特征在于，输入滤波电路包括电感L1，电阻R1、电容C1、电阻R2；其中电感L1、电容C1组成第一级差模滤波电路，电阻R1与电阻L1并联，电阻R2与电容C1串联；稳压采样电路包括采样电阻R3、运算放大器N1、补偿环路、电阻R4和电容C3；电阻R4与电容C3串联后，并联在采样电阻R3两端；整流滤波电路输出的电压通过采样电阻R3与运算放大器N1的反向输入端相连，运算放大器的正向输入端与基准电压相连；同时，运算放大器N1的反向输入端通过补偿环路与运算放大器的输出端相连。

所述输入滤波电路还包括电感L2、和电容C2，电感L2和电容C2组成第二级差模滤波电路。

所述电源为微波接收机电源。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明在既有电源方案的基础上，通过大量实验发现通过降低输入滤波电路谐振点的增益、提高稳压采样信号的反馈速度可以改善电源低频纹波的抑制能力。本发明通过在输入滤波电路并联阻尼网络，来降低谐振点的增益，减小谐振频率附近的输入交流信号或噪声的放大程度；本发明在稳压采样电路上并联R-C网络，优化环路补偿电路，提高稳压采样信号的反馈速度。总之，本发明在不改动电源拓扑结构、降低电路复杂程度、降低功耗的基础上，通过降低输入滤波电路谐振点的增益、提高稳压采样信号的反馈速度来改善电源低频纹波的抑制能力。

附图说明

图1为电源原理框图；

图2为现有的输入滤波电路示意图；

图3为本发明的输入滤波电路示意图；

图4为现有的稳压采样电路示意图；

图5为本发明的稳压采样电路示意图；

图6为现有的输入滤波电路滤波特性仿真结果示意图；

图7为本发明的输入滤波电路滤波特性仿真结果示意图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

下面以微波接收机的电源为例对本发明进行说明

如图1所示，微波接收机电源包括输入滤波电路、启动电路、保护电路、半桥变换器、功率变压器、PWM脉宽调制电路、稳压采样电路、输出整流滤波电路等功能模块组成。

在电源的输入端串联保险丝，使得电源无论发生任何故障，都不会因为短路、过流等原因对卫星电源造成损害。

当电源接收到开机指令时，启动电路工作，产生一个+12V电压给脉宽调制器PWM供电，PWM启动后产生300kHz的方波信号驱动半桥变换器，使之将直流电压转换为300kHz的交流方波电压并通过功率变压器传递到整流滤波电路，经过整流滤波电路输出多路直流电压。其中一路电压返回替代启动电路给PWM供电，并通过稳压采样电路给PWM提供稳压采样信号。PWM通过内部的负反馈系统自动调节输出驱动信号的占空比，从而调整输出电压，达到稳压的目的。

开机指令的脉冲宽度为100mS，当其结束后，启动电路停止工作。

当电源出现过流、短路、输入电压异常下降等情况，电源过流保护电路向PWM发出保护信号，PWM停止输出驱动信号，电源停止工作，达到保护关机的目的。电源接收到关机指令后，将信号输入到保护电路，电源关机。

由于开机指令和关机指令的指令回线与电源输入电压的回线隔离，所以开关机指令都需要通过光藕进行隔离传输。

输入滤波电路包括差模滤波器，差模滤波器包含两方面作用，首先，它阻止开关电源噪声通过母线影响卫星其他设备，其次阻止母线上交流电压分量和噪声直接影响电源供电设备(如微波接收机)的正常工作。输入电压通过输入滤波电路与半桥变换器相连。

现有的输入滤波电路主要追求尽可能低的截止频率和尽可能高的噪声衰减。其电路示意图和仿真结果如图2和图6所示。其谐振点增益达到22.4dB/4.6kHZ。该增益将使得母线输入端的低频传导噪声在此频率处得到放大，反映到电源输出端就是输出电压的低频噪声被放大，所以需要在满足滤波器总体性能的前提下，尽量减小。

如图3所示，本发明的输入滤波电路包括电感L1，电阻R1、电容C1、电阻R2、电感L2、和电容C2；其中电感L1、电容C1组成第一级差模滤波电路、电感L2、电容C2组成第二级差模滤波电路；输入电压的正输入端与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与电阻R2和电感L2相连；电阻R1与电感L1并联，电阻R2与电容C1串联；电感L2与电容C2串联；电容C1、C2分别与输入电压的负输入端相连。图3中的后级电路为与输入滤波电路相连的电路，对应于图1中的半桥变换器。本发明电源的输入滤波电路在第一级差模滤波器设置阻尼电路，即L1上并联电阻R1，C1上串联电阻R2，使得滤波器截止频率处的增益降低。

实际设计中，L1两端并联的电阻R1阻值范围一般在1～10Ω之间，与C1串联的电阻R2范围一般在0.1～3Ω之间。根据电源EMC指标、开关频率、体积重量等要求，再进行进一步的仿真、调试。一般来说，R1越大、R2越小，电路特性更接近传统滤波器，即衰减特性越接近80dB/10倍频程，谐振峰较大。反之，电路特性更接近40dB/10倍频程，谐振峰较小。

实际电路中，两个电阻的取值分别为3Ω和0.33Ω(3个1Ω并联)。其仿真结果如图7所示。从图7可以看出，本电源谐振点增益由22.4dB减小到7.1dB，大大减小了该频率处输入噪声的放大程度。虽然高频段的衰减特性略有下降(曲线斜率有所降低)，但对接收机的正常使用已经足够，滤波器的整体性能得到明显改善。

现有的电源输入滤波器设计希望电容的等效串联电阻(即ESR)越小越好，但本发明的输入滤波器中的C1因为要串联外接电阻，所以对ESR无特殊要求，可以选用价格便宜、容量密度大的电解电容。但在本发明中，因为卫星对产品的高可靠要求，所以采用的是高可靠等级的瓷介电容。

如图4所示，现有的稳压采样电路包括采样电阻R3、运算放大器N1、和补偿环路。通常通过调试补偿环路参数，来实现合适的相位裕量和低频增益。低频增益为46.8dB/100Hz、26.8dB/1kHz，而此时的相位裕量较小，为30.67°；如果，继续提高增益，电源有可能在外界干扰下进入振荡状态。

如图5所示，本发明的稳压采样电路除了包括采样电阻R3、运算放大器N1、和补偿环路外，还包括串联的电阻R4和电容C3。电阻R4、电容C3组成的R-C网络并联在采样电阻R3两端。整流滤波电路输出的电压通过采样电阻R3与运算放大器N1的负输入端相连，运算放大器的正输入端与基准电压相连。同时，运算放大器的负输入端通过补偿环路与运算放大器的输出端相连。采用上述结构，输出电压的任意波动都可以更快的反映到运算放大器的反向输入端，使其响应速度加快。同时，交流输入阻抗降低，使得误差放大器的增益提高，电源对低频干扰的抑制能力增强。同时改善了电源的相位裕量，提高了稳定性。

R-C网络中电阻R4的取值范围是100～1000Ω，电容C3的取值范围是4000pF～0.03uF。改进后的电源，100Hz处的增益由46.8dB增加到55.3dB，1kHz处的增益由26.8dB增加到38.7dB，对低频干扰的抑制能力得到明显改善。而且相位裕量由30.67°增加到41.02°，电源的稳定性也得到提高。

本发明通过在输入滤波电路上形成阻尼电路，在稳压采样电路的采样电阻上并联R-C网络，电源对低频干扰的抑制能力得到明显改善，接收机本振的杂波抑制能力接近理论情况下的最好水平。由于电源实际调试时存在一定的固有噪声，示波器很难有效分辨10mV以下的低频纹波，所以实际改善效果均通过测试接收机本振链的杂波抑制进行验证。实际测试结果见表1。

表1实测接收机本振的杂波抑制能力

从表1可以看出，改进后，本振电路100Hz处杂波调制由47dBc/Hz提高到63dBc/Hz，1kHz处杂波抑制由70dBc/Hz提高到86.7dBc/Hz，改进效果显著。

其他一些微波设备如变频器也对电源输出电压的低频纹波提出较高要求，采用本发明的电源和方法也可以很好的满足这一要求。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种能够抑制低频噪声的电源，包括输入滤波电路、半桥变换器、脉宽调制电路、功率变压器、整流滤波电路和稳压采样电路；其特征在于，输入滤波电路包括电感L1，电阻R1、电容C1、电阻R2；其中电感L1、电容C1组成第一级差模滤波电路，电阻R1与电阻L1并联，电阻R2与电容C1串联；稳压采样电路包括采样电阻R3、运算放大器N1、补偿环路、电阻R4和电容C3；电阻R4与电容C3串联后，并联在采样电阻R3两端；整流滤波电路输出的电压通过采样电阻R3与运算放大器N1的反向输入端相连，运算放大器的正向输入端与基准电压相连；同时，运算放大器N1的反向输入端通过补偿环路与运算放大器的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述输入滤波电路还包括电感L2、和电容C2，电感L2和电容C2组成第二级差模滤波电路。

3.根据权利要求1所述的电源，其特征在于，所述电源为微波接收机电源。