电源纹波的测试方法精选(九篇)

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第1篇：电源纹波的测试方法范文

关键词：单级；LED驱动电源；功率因数校正；频闪

引言

文章基于单级有源功率因数校正的LED驱动电源，根据频闪的定义、波动深度的表达式，采用JW1220芯片设计相应的去纹波电路，达到无频闪的效果。

1 频闪和波动深度

1.1 频闪定义

频闪就是指开关周期内光的不断波动。开关周期就是闪烁频率，根据不可察觉的闪烁频率和波动深度函数关系，即波动深度随驱动电流频率的函数关系，加利福尼亚的Jim Benya研究发现：输出电流的开关周期应该大于2kHz，这样人的眼睛才不会产生“视觉暂留”现象。

1.2 波动深度的定义

波动深度的表达式也称迈克尔逊对比公式，即为最大和最小亮度之差除以最大和最小亮度之和。图1是波动关系示意图，由图可知，波动深度（闪烁百分数）的表达式为：

由正向电流与光强关系可以知道两者基本上成正比关系，由于光通量和光强也成正比关系，因此我们可认为电流和光通量成正比关系。则波动深度也可表示为：

式中，Imax-输出电流的最大值（mA）；Imin-输出电流的最小值（mA）。输出电流的最大值和最小值都是指LED驱动电源输出直流上的交流成分的最大值和最小值。

从上述可知，在对人无影响的前提下，随着闪烁频率越来越大，波动深度的值越来越高，实验表明，频闪波动深度小于5%的光源发出的光，对人的眼睛不会造成疲劳。

2 方法和结果

为了解决电流纹波较大的问题，通常会接入较大容量的电解电容，但是电解电容的寿命严重制约着LED寿命，因此许多研究无电解电容的LED驱动驱动电源。但是由于没有电解电容，驱动电流中含有两倍工频的交流成分，在50Hz市电下LED存在100Hz的频闪。文章是从LED驱动电源输出端出发，利用JW1220芯片组合一个相应的去纹波电路，降低输出端直流电流中的交流成分，达到一个无频闪的效果。

2.1 电路的原理

图2是基于JW1220芯片的去纹波电路原理图，该电路能达到LED无频闪的效果，文章用的LED驱动电源是采用有源PFC芯片的Buck电路组成，其输入电压为220V，工频50Hz，输出电压为77V，输出电流为240mA。后接入去纹波电路，即去纹波电路的输入电压为77V，输入电流为240mA。

电容器C2是一个集成电容器，C2的变换电压作为一个参考电压，外部MOSFET管Q2把LED电流纹波转化为电压纹波，确保恒定的电流流过LED，JW1220通过检测外部MOSFET的运行状态来变化C2的电压，当Q2处于饱和状态时，系统的效率比较低，改变C2电压使VC引脚和ILED（输出电流最大值）升高，电源的输出电压降低。相反，当Q2工作在线性区，LED电流调节回路是开放的，C2使得VC引脚电压和ILED电流降低，电源输出电压升高，然后LED电流调节回路关闭，使得整个功耗减小以提高系统的效率。电流调节器检测电阻R4和R5电压等于参考电压VC。为了消除电流纹波，C2电容值可以确定电流纹波的最终幅度，它的值应该足够大，但是过大便会减慢动态响应。因此，正常情况下C2选取2.2uF或1uF相对合理。为了限制最大输出电流尤其在短路状态，VS引脚的最大电压为2V，这样R4和R5的选取应遵循：

根据输入值，此电路的R4和R5选取1欧姆。

2.2 测试结果

无去纹波电路的输出电压电流波形，可计算出其波动深度为：

有去纹波电路的输出电压电流波形，可计算出其波动深为：

由上面数据对比可以看出，通过加入去纹波电路后，很好的滤除了输出直流电流中的100Hz交流成分，并且实现了纹波达到了5%以内。实验结果验证了去纹波电路的有效性。

3 结束语

文章通过阐述频闪和波动深度定义，对LED频闪有了具体的了解。阐述为了消除电解电容提高LED驱动电源寿命的几种方法。提出了一种基于JW1220芯片的去纹波电路，并且通过实验测试，验证了电路的有效性，也满足了市场对LED驱动电源的要求：高功率因数，波动深度小于5%。达到了LED无频闪的效果。

参考文献

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[3]王舒，阮新波，姚凯，等.无电解电容无频闪的LED驱动电源[J].电工技术学报，2012.

[4]刘炼.单级PFC非隔离无频闪电源设计[J].灯与照明，2015.

第2篇：电源纹波的测试方法范文

【关键词】开关型；直流稳压电源；探究；电路设计

【中图分类号】G64【文献标识码】A【文章编号】2095-3089（2016）04-0163-02

在电力电子技术的不断发展与技术革新下，开关型直流稳压电源以其自身的工作表现与其可靠性成为我国电力系统中广泛使用的一种设备。在实际应用中，开关型直流稳压电源自重轻，工作内故障低，工作效率高，且其性价比占优势，并具有功耗晓得良好表现。相比于其他开关型电源，开关型稳压电源应用范围广，竞争力强，特别是对于粒子加速器等电源应用范围来说，开关型稳压电源具有着良好的专业性与稳定性。通过对于开关型稳压电源的技术标准研读与相关的影响因素分析，目前此类技术研究区域人员都是采用移相控制桥来对DC/DC变换小信号模式进行开关型稳压电源的电路设计。

1.对于动态小信号模型的相关阐述

对于动态小信号模型来说，不同的模型选取进而得到的设计结果都会存在差异。所以，在模型的选取上，应根据其实际情况进行分析与配置。对于开关电源来说，其本质是作为一个非线性的控制对象在进行工作，如果要对其进行成功的设计与分析，那么在进行指导建模时，应以近似建立在其稳态时的小信号扰动模型为依据。这一思路一方面取决于小信号扰动模式稳态时具有与设计目标相近的工作表现；另一方面也是由于这样的模型对于大范围扰动时的拟态不够精准，会造成相应结论的误差或偏差。基于此，以小信号扰动模型来进行开关型稳压电源的电路设计是保证其最终设计结果满足设计要求的必要条件。

2.开关型稳压电源的相关性能指标

2.1性能指标之稳定性

通过相关数据与实践结果研究表明，在不同的开关型稳压电源系统设计下，会产生不同程度的鲁棒性。而在暂态特性方面，其表现也会相应提高。但对于直流新稳压电源来说，其系统下对于增益余量的要求是大于或等于40dB，对于相位余量的要求则是大于或等于30dB。

2.2性能指标之瞬间响应指标

当开关电源处于非稳定状态下，由于其所受的干扰，输出量会出现相应的抖动现象。且其抖动量会随着其干扰而变化，当干扰停止时，则其最终也会回到稳定值，基于此，在对开关型稳压电源进行这方面的性能指标确定时，是以过冲幅度与动态恢复时间的长短来衡量其系统的动态特性的。在此定义下，瞬态响应指标内容主要是表现为，如果穿越频率越高，则其系统恢复到动态平衡点的时间就越短，另一方面，系统在干扰情况下所表现的过冲幅度与其相位余量呈相关性。

2.3性能指标之电源精度

在电源精度方面，其控制要求严格，一般其最终的电源精度误差需要控制在设计目标的1‰以下，且其纹波不得在1‰以上。考虑到纹波自身的分类有高频与低频两种，而这两种纹波是基于开头频率表现的。如高频纹波就是受到开头频率的影响，必须通过滤波器进行控制。而低频纹波则是受到电网波动的影响，必须通过系统的负反馈来进行控制。

3.关于开关型稳压电源的电路设计

3.1关于系统下的补偿网络与相关相关设计应用

目前来说，对于开关型直流稳压电源系统来说，其补偿网络是通过PI或者PID的算法来设计与制作的。也就是说，PI调节器的主要作用是对抗高频纹波影响，也就是提高系统对于高频干扰能力的抵抗性，但对于PI调节器来说，动态性差的缺点是无法忽视的。目前来说，实际应用中通过引入微分算法后可以有效提高系统的响应速度。但其缺点也显而易见：一方面是由于零点的大量引入直接造成系统对于高频信号的敏感度大幅度提高，放大器在此情况下，很容易产生堵塞现象；另一方面则是当开关纹波的放大倍数得到增大时，放大器也会随之进入非线性区，这结果只会造成整个系统的不稳定。目前来说，对于这些缺陷是以超前滞后的方法来进行补偿的。

3.2关于开关型稳压电源的电路设计原理

3.2.1理想性技术指标如下：（1）输入交流：电压220V（50—60Hz）；（2）输出直流：电压5V，输出电流3A；输入交流电压在180—250V区间变化时，输出电压相对变化量应小于2%；（4）输出电阻R0<0.1欧；（5）输出最大纹波电压<10mv。3.2.2关于开关型稳压电源的基本工作原理。当线性自流稳压电源处于低频率工作状态下时，那么调整管的工作由于其体积大，则其效率相应低，但当其调整管工作处于开关状态下时，那么其的工作表现就为体积小，效率高。

3.3开关型稳压电源的电路设计探究

从以上论述可以看出，开关型直流稳压电源系统其低功耗的特点是由于晶体管位于开关工作状态下时，对于功率调整管的功耗要求低。特别是对于理想状态下的晶体管来说，当其处于一种截止状态时，晶体管所经过的电流为0，相应的功耗也就为0；另一方面，由于开关型稳压电源系统的穿越频率较高，所以对于电路的动态响应速度得以提高，而且整个系统的响应速度不受低通滤波器的影响；另外，相对于直流470V的电压来说，并环穿越频率远未达到这一频率，输出只为48V，特别是其电压稳定性方式，经过测试，其低频纹波稳定率都在0.996以上，完全满足了设计要求。

4.结语

综上所述，在进行开关型稳压电源的电路设计时，小信号的模型选择是关键点。为了进一步提高开关型稳压电源系统的稳定性，超前滞后网络补偿原理有效地弥补了精度电源的纹波限制高的问题。通过实践也表明，开关型稳压电源的适用性非常强，必将为人们生活提供更好的服务。

参考文献：

[1]汤世俊.浅谈高性能开关型直流稳压电源[J].学术探讨，2011，（10）.

[2]樊思丝.高性能开关型直流稳压电源的设计探究[J].企业技术开发，2011，（03）.

第3篇：电源纹波的测试方法范文

[关键词]移相全桥；数字控制；延时补偿

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0119-02

1 引言

随着微控制器和数字信号处理器的快速发展，电力电子行业中，开关电源的控制方式开始由模拟控制向数字控制的方向转变。与模拟控制相比，数字控制具有温漂小、抗干扰能力强、一致性好、易于标准化、控制方式灵活等优点。但同时数字控制也存在着一些问题，其中最主要一点就是采样和计算延时。在数字控制系统中，离散化的采样和计算过程会给系统带来延时影响，这种延时实际上相当于给系统增加了一个滞后环节，系统控制的稳定范围会受到影响。为提高数字控制系统的稳定性和可靠性，改善动态响应速度，对延时进行预估补偿就变得必不可少[1-3]。

本文提出了一种延时预估补偿控制算法，在时刻，通过预先估计时刻的输出而获得预测控制变量，使延迟的被调量超前反应到控制器，从而补偿系统的时延[4-6]。在30A/48V移相全桥DCDC数字电源样机中对此控制算法进行测试，验证了此算法的正确性。

2 延时预估补偿控制算法

在传统的离散控制系统中，通过计算时的控制变量来控制时的输出量。而预估法在时通过预先估计时的输出而获得预测控制变量，使延迟的被调量超前反应到控制器，从而补偿系统的时延。

3 系统描述

移相全桥DCDC变换电路由4个功率开关MOS管组成，通过控制开关管的通断顺序和通断时间，实现零电压零电流开关；高频变压器起到隔离与降压的作用；整流滤波电路实现对变压器副边的高频电压进行整流和滤波。数字控制系统对输出电压和输出电流进行闭环控制，将检测到的输出电压和电流信号送入AD，与设定值比较后，通过控制算法产生PWM驱动信号，控制功率开关MOS管的通断，以得到相应的输出电压和电流值。

4 软件实现

系统的软件架构采用主程序和中断执行代码方式工作，所有对时间要求严格的代码均在中断中执行，对时间没有严格要求的代码在主循环中执行。其中AD采样、保护、控制算法等控制环节需要在定时中断中完成。

根据控制策略，在周期内，采样输出电压，在周期内，采样输出电压，根据延时预估补偿公式（6），则得到补偿输出电压，经过PI控制，得到控制调节量，作为周期的调节控制量，周期内，采样输出电压，仍使用作为周期的调节控制量，周期内，采样输出电压，补偿输出电压，经过PI控制，得到控制调节量，作为周期的调节控制量。由上所述，输出电压每个控制周期采集一次，其中偶数周期内计算补偿输出电压，得到预估调节控制量，调节控制量每两个控制周期更新一次。图3给出控制环节的定时器中断流程图。

5 实验结果

在30A/48V移相全桥DCDC数字电源样机中对此控制算法进行测试，测试项目包括稳压精度、纹波和动态特性。对于稳压精度和纹波的测试，主要观察负载变化对稳压效果和纹波的影响，如表1所示：

由实验数据可知，在不同负载情况下，该系统的稳压精度不超过±0.1%，最大纹波不超过200mV。

由实验数据可知，输出稳态电压时出现切换负载，在输出端的最高电压不大于105%的设定值。

6 结论

本文针对数字控制中的延时问题，提出了一种延时预估补偿控制算法，并将此算法应用于移相全桥DCDC数字电源系统中。实验结果表明，该设计方案可行，各项指标均满足要求。

参考文献

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第4篇：电源纹波的测试方法范文

【关键词】LED;高频低功耗转换器;采样;TLV5616

1.引言

根据能量来源的不同，LED驱动电路总体上可分为两类，一是AC/DC转换，能量来自交流市电，二是DC/DC转换，能量来自干电池、可充电电池、蓄电池等。根据LED驱动原理的不同，又可以分为线性驱动电路和开关驱动电路。线性电路成本低，价格便宜，但效率较低，一般不会超过60 %。开关电路效率高，一般可达80 %左右，成本稍高。TPS61040作为一种高效BOOST的LED驱动芯片，输入电压的动态范围为1.8V～6.0V（实际测得最低可以到1.5V），而输出最高可达28V，其峰值400mA的输出电流意味着最大可以驱动数十个LED。

2.总体电路设计

总体电路设计如图1所示，整个系统采用3.3V电压供电，系统主控芯片MSP430F149负责对输出电流值进行采样并显示，并能够通过12位超低功耗串行接口的数模转换器TLV5616对基准电压进行控制，从而达到控制输出电流的目的。为提高软件设计性能，按键部分采用中断的方式对输出电流值实现1-22mA每次步进3mA的加减循环步进。

图1 总体设计框图

3.总体设计恒力源驱动部分

驱动电路采用TI公司的DC/DC芯片TPS61040，它是一款高频低功耗升压转换器，专门用于中、小型LCD偏压和白光LED背光照明。

3.1 TPS61040的封装及引脚说明

TPS61040采用SOT-23-5或SON-6封装，其引脚功能说明如表1所示。

表1 TPS61040引脚功能说明

引脚名称 引脚号 引脚功能说明

SOT-23 SON-6

EN 4 3 使能端。当该引脚接地时，芯片处于关断模式，工作电流小于1uA

FB 3 4 反馈端。通过反馈原件与输出端相连，

从而控制输出电压

GND 2 1 地

NC NC 5 无连接

SW 1 6 开关端。外接电感和肖特基二极管，内部与功率MOS管漏极连接

Vin 5 2 电源端

3.2 TPS61040作为恒流源的典型应用电路

用TPS61040作为恒流的LED驱动芯片，电路可以采用两种形式：采用PWM控制或基准电压控制，分别如图2和图3所示。TPS61040的FB（反馈）脚检测输出电压，只要反馈电压低于参考电压（典型值1.233V），则内部开关管Q1导通，电流增大;当电感L1电流达到内部设置峰值电流ILM（400mA）时Q1截止，另外为应付极端条件以限制最大导通时间，在导通时间超过6us（典型值）时Q1也会截止。当Q1关断时，流过L1的电流中断会升高电感上的电压，使外部的肖特基二极管D1正偏并导通，D1作续流二极管保证电流输出，为输出电容器C1充电至一个较高电压，这个电压高于单独的输入电压VIN。

在实际控制中，采用PWM的方式不需要外接其他原件，可以直接用单片机产生PWM波，通过改变其占空比实现对电流的控制，但TPS61040作为BOOST芯片，本来就有开关带来的纹波，采用PWM方式的纹波会比较大，也不利于对输出电流的采样。采用基准电压控制的方法，需要外加一个DA芯片，增加了成本，但是其控制方式简单精确，产生纹波小，利于采样及反馈控制。本设计采用基准电压控制的方法，通过对FB端的反馈电压（VFB=1.233V）的改变控制输出电流，而使用FB端控制TPS61040输出时，其输出电流与DAC输出电压成反比且非线性，故使用了12位数模转换器TLV5616来控制恒流驱动电路，其在3.3V基准电压时精度可达0.008mV，可满足一次步进3mA的设计需要，同时二极管使用肖特基二极管以实现高频开关和高效率。

TPS61040的最大开关频率可达1MHZ，电感与额定负载电流，输入和输出电压一起决定开关频率：

式中，Ip为峰值电流，L为所选电感大小，大约10-50uH左右，电感值选取越小，开关频率越大，输出的纹波也就越小，可以根据具体输出精度要求选取电感大小。VIN（max）是最大开关频率时的最小输入电压，本设计按键设定电路最大输出电流为22mA，TPS61040的峰值电流为400mA，根据下式计算得最大转换频率，，满足条件，则接下来需要计算最大负荷电流：

式中，是预计的最大转换频率，η是期望的转换效率，一般在75%-85%。

则最大输出电流ILOAD（MAX）=0.4A，大于最大输出电流22mA，满足设计要求。

4.测试

4.1 电流精度测试

由于电源电压的非完全稳定输出导致了DAC基准电压的变化，从而使得控制信号的不稳定，造成了平均电流的出现的范围允许的误差。

4.2 系统转换效率

给定输入电压3.3V，当输入电流0.1A，输出电压16.7V，输出电流16mA，此时的转换效率为80.97%。当输出电流达到22mA时，输出电压17.74V，输入电流为0.14A，此时转换效率达到84.47%。

5.结论

本设计使用TPS61040，结合单片机控制，提供了一种高效率，可循环步进设定输出电流的LED驱动电路，转换效率较高，电路简洁易控制，克服了现有LED驱动电路中，存在的效率低，电路复杂的缺陷。在测试后发现，当输出电流较小时，由于单片机并没有采用低功耗模式，系统转换效率不到70%，可以通过启动MSP430的低功耗减小在单片机上的电能消耗，另外在电路的FB反馈端使用一小电容接地，可使反馈引脚的纹波电压降到50mV以下，从而更加精准的控制输出电流。

参考文献

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[4]辛晓光.大屏幕LED电视电源与背光驱动技术的研究[D].济南：山东大学，2011：2-8.

[5]沙占友.新型单片开关电源使用技术[M].电子工业出版社，2001：1-2.

第5篇：电源纹波的测试方法范文

【关键词】锁相环；高稳定度；相位噪声

一、引言

本文介绍一种高稳定度和相位噪声的锁相环设计，适用于对频率源指标要求较高，锁定时间要求较低的场合，而且相对于单个高稳定度和相位噪声的频率源来说成本较低。

锁相环电路是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路，它的基本原理是利用相位误差电压取消除频率误差，所以当电路达到平衡之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，从而实现无频差的频率跟踪和相位跟踪。而且锁相环电路还具有科研不用电感线圈、易于集成化、性能优越等许多有点，因此广泛用于通信、雷达、制导、导航、仪表和电机都方面。

图1是一个锁相环的构成框图，PLL电路基本上由下述三大部分组成：

鉴相器（phase Detector或phase Comparator）鉴相器用于检测两个输入信号的相位差；环路滤波器（loop Filter）是将鉴相器输出含有纹波的电流信号平均化，将此变换为交流成分少的直流信号的低通滤波器。环路滤波器除滤除纹波功能外，还有一种重要作用，即决定稳定进行PLL环路控制的传输特性；压控振荡器（Voltage Controlled Osillator）就是用输入直流信号控制振荡频率，他是一种可变频率振荡器。

随着电子技术的发展，要求信号的频率越来越稳定，一般的振荡器已经不能满足要求，于是出现了高准确度和高稳定度的时钟振荡源。但是高稳定度的时钟振荡源价格比较昂贵，对于成本的节约上有很大的限制。于是利用锁相环技术产生高精度高稳定度的频率源应运而生，只需要一个成本不高的时钟源和一个高稳晶振就可以实现高精度和高稳定度的时钟频率输出，图2是一个高稳定度锁相环的框图电路。

二、电路框图

本文利用的是单片机STC12C5410AD和鉴相器芯片ADF4001以及一个高稳压控晶振实现锁相环电路，电路框图如图3所示。

1.器件选择

单片机用普通的单片机即可，本设计使用的是STC系列单片机，也可以使用51系列的单片机；ADF4001是AD公司的一款鉴相器芯片，最大输出频率可到200MHz，它内部含有一个13位、一个14位的分频器，可以对输入频率进行分频，使鉴相频率一致；高稳定度的压控晶振可以自己选择，适合自己要求的，表1是我们自己选择的恒温晶振部分指标。

2.环路设计

环路滤波器的设计是锁相环的重点，它决定了锁相环的指标好坏。环路滤波器的设计关键在环路带宽上，环路带宽会影响锁定时间、相位噪声和短稳等指标。环路带宽与锁定时间成反比关系；大于环路带宽部分的相位噪声由晶振决定，小于环路带宽部分的相位噪声由参考信号决定。环路滤波器的设计方法比较多，各有优势，下面是本设计采用的参数计算方法，环路带宽设置为0.5Hz、相位裕度45°，鉴相频率100kHz。采用三阶无源滤波器。图4是我们的三阶无源滤波器电路。

首先已知相位裕度φ、参考频率fc、鉴相频率fcomp、压控灵敏度Kv、鉴相灵敏度Kφ、输出频率fout、时间常数T31（取0到1之间）。

根据以上公式和已知条件，即可计算除电路中各个元器件的值。当然这只是一种环路滤波器的计算方法，也可以使用AD公司提供的ADIsimPLL软件进行计算，各有优缺点。

一般环路滤波器首选无源滤波器，因为无源滤波器相对于有源滤波器来说，引入的相位噪声更小一点。除非压控电压超出了无源滤波器的输出电压范围，我们才选择有源滤波器。

3.软件部分

4.注意问题

（1）电源

因为我们使用的是高灵敏度的压控晶振，对电压特别敏感，所以在处理电源滤波上要非常到位，特别是ADF4001的供电电压必须适用稳定度高的稳压器，因为供电电压直接影响器件内部电荷泵的电流，从而影响环路输出电压，导致晶振输出稳定度变差。我们在鉴相器电源引脚一次放置0.1uF、0.01uF、100pF的电容，最大限度滤除电源线上的干扰。还在电源线上串一个小电阻，进一步对噪声进行隔离。

（2）VCO的输出功率分配

VCO的输出通过一个简单的电阻网络，将各个端口匹配到50欧姆，如图所示，利用三个18欧姆的电阻组成的T型网络完成。这样做会使B点和C点的功率比A点的功率低6dB，设计中应该注意。图5是输出功率的电阻分配图。

总之，要取得良好的相位噪声和短稳，要在各个方面进行改进，还应该注意以下的问题：

1）PLL芯片工作的电源纹波足够低——不会恶化噪声基底

2）PLL芯片的RF反馈输入（VCO的输出）具有合适的驱动能力——不容许计数器错误计数

3）PLL芯片的REF参考输入具有合适的驱动能力——不容许计数器错误。

4）PLL环路滤波器的电阻不会增加任何额外噪声——不高于热噪声

5）VCO的工作电压纹波足够小——不会恶化由于频率牵引引起的相位噪声。

6）环路滤波器屏蔽足够好——VCO控制线上不会串入其他干扰信号，防止来源于数字电路的窄脉冲信号出现在滤波器的输入端并直接耦合到输出端。

三、测试结果

经过不断的调试，测试结果如表2

由测试结果科研看出，经过锁相环之后，稳定度和相位噪声的指标跟晶振的指标基本一致，改善了时钟源的指标。

四、结束语

本文所设计的高稳定度和相位噪声的锁相环设计，适用于对频率源指标要求较高，锁定时间要求较低的场合，而且相对于单个高稳定度和相位噪声的频率源来说成本较低。由于本人水平有限以及研究场合等因素制约，难免会存在一些瑕疵，仍需近深入研究，来实现进一步的完善和提高。

参考文献

[1]姜艳波，等编著.稳态电路与锁相环电路实例——CMOS数字集成电路应用百例[M].化学工业出版社，2009—05.

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[3]F.M.Gardner，Phaselock Techniques，2nd ed.，Wiley，New York，1979.

作者简介：

程开明（1982—），男，陕西乾县人，大学本科，西安电子科技大学工程硕士研究生在读，现供职于陕西黄河集团有限公司，研究方向：微波通信。

第6篇：电源纹波的测试方法范文

关键字： 工作模式； 同一拓扑； 循环使用； 电源箱

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）22?0147?03

0 引 言

多功能电源系统共用一个主电路拓扑结构，通过外部参数设定，控制电源系统工作在不同的状态，满足不同场合的需求。本文设计的电源箱系统，通过三波段开关切换，能够满足舰船远洋和陆路两种场合的应用。

由于电源箱系统最大输出功率为400 W，功率变换器选择正激电路拓扑是比较合适的[1]。但单管正激电路在主功率管关断的时候，承受的反压比较高，电压越高功率管的价格也越高，而且极易造成击穿，电路的可靠性也就下降。如果用双管正激电路，两个晶体管平均分担关断时的电压，在降低电路成本的同时，也提高了电路的可靠性。

1 电源箱系统的设计方案

电源箱系统工作在三种模式，分别是有市电的情况下，DC 28 V恒压输出。无市电的情况下，电池电压输出；有市电输入，不需对外供给能量时，给电池充电，以备下次使用。系统的总体框图如图1所示。在图1中，“1”为切换开关的默认状态，表示开关切换至市电AC 220 V输入，DC 28 V输出的工作方式；“2”表示开关切换至电池提供能量，输出电压为电池电压的工作状态，“3”表示有市电AC 220 V输入，功率变换器给电池恒流充电的工作方式。图中，表示控制信号的流向，表示主功率的流向。

2 电源箱系统的电路设计

2.1 电池选择及其参数计算

综合电源箱对电池体积、重量和电量的要求，本文选择材质为磷酸铁锂电池，每节电池满电压为3.3 V，容量为9 A·h，9节串联，充电率为0.3 C，重量为2.5 kg，体积为275 mm×210 mm×75 mm。根据电池生产厂家提供的参数，可以算出电池满电压为[9×3.3=29.7 V]，功率变换器设置充电电压不低于此电压，考虑到电池本身的“虚电”特性，本文设计电池充满电压为30.3 V。电池的充电电流为[9×0.3=2.7 A]，为了保证电池的使用安全，设计充电电流为2 A，电池最低放电电压不低于26 V。

2.2 功率变换器的拓扑结构及主功率管驱动电路

双管正激电路拓扑如图2所示，由于两个嵌位二极管VD1和VD2的作用，限制了在VF1和VF2关断时所受的最大反压均为直流输入电压VDC与二极管压降VD之和。电路的工作原理如下：

主功率管VF1和VF2同时导通或同时关断。副边绕组由于主功率管的导通有了感应电动势。副边绕组、二极管VD3很快建立电流，其速度受制于变压器和副边电路的漏电感。因为在导通瞬间L1上流过的电流IL在导通时保持不变。所以，由于VD3的电流建立，二极管VD4的电流比随之同等的快速减小。当VD3中的正向电流增加到原先流过VD4的电流时，VD4转为关断。与此同时开始了正激电路能量传递的状态。

图2中的两个主功率管VF1和VF2同时开通或关断，但不共地，本文采用常用的UC2845系列驱动芯片，VF1和驱动芯片共地，可以直接由此芯片驱动，VF2的驱动信号由VF1的驱动信号变换得到，电路如图3所示。图中T2为驱动变压器，VD5和VD6为18 V的稳压二极管，C7为隔直电容。

2.3 电源箱系统工作方式的实现

电源箱系统的第“1”和第“3”工作方式共用一套主功率变换器，通过外部的三波段开关切换工作模式。图4为模式切换的控制电路。在图4中，充电控制开关在默认状态下为低电平，三极管VT4和VT5不导通。电阻R19和R20是主功率回路的采样电阻，当主回路的电流小于120%的额定电流时，输出的Iout信号小于2.5 V，低于电流控制的给定电压（运算放大器N2B的负向输入端）2.5 V，N2B输出低电平，二极管VD10不导通。电压环的给定电压也为2.5 V，电压反馈取自R43，R44和R49的分压，合理分配它们之间的比值，主功率变换器输出恒定的DC 28 V电压。如果主回路的电流超过120%的额定电流， N2B输出高电平，二极管VD10导通，R44分压得到的电压升高，从而使输出电压降低，电路转入恒流控制，输出功率不再增加，电路保护。

当波段开关切换到模式“3”，充电控制开关信号为高电平，三极管VT4和VT5导通。此时的电流控制给定电压为0.5 V，如果主回路的电流超过2 A时，VD10就能够导通，从而拉低了输出电压，使充电电流一直维持在2 A，一直到电池充满。VT4导通后，R44和R37并联后的等效电阻比R44小，而电压环的给定电压信号不变，致使电路输出电压高于模式“1”的输出电压，克服了电池的“虚电”特性。当波段开关切换到模式“2”，电池对外提供能量，此时输出电压即为电池的电压。由于无市电AC 220 V输入，正激电路不工作。

3 电源箱系统试验数据

电池试验参数如下：

在做电源箱试验时，应首先使波段开关切换至模式“3”，对电池进行充电。充满后，才能切换至模式“2”的工作方式，进行电池放电性能的测试。根据任务书要求，先对电池进行大电流放电，后进行小电流放电。充电试验数据如表1所示。

在30 min的时间内，电池电压达到30.1 V，电池充满，此模式的纹波电压均小于100 mV。充满后进行放电试验，试验数据如表2所示。在空载时，电池电压为29.9 V，加入大负载后，分别在第1，11，21 min测试输出电压，由于切换开关消耗的电压，此时输出电压略低于电池本身的电压，但高于26 V，满足设计要求。表3是工作在模式“1”，在额定负载的条件下测试的输出电压及其纹波电压，在1 h之内，功率变换器达到稳定状态，纹波也小于100 mV，满足设计需要。

4 结 语

本文设计的电源箱系统能够实现三种功能：即为市电输入，DC 28 V输出；市电输入，电池充电；无市电输入，电池输出。三种工作方式通过手动开关切换。电路拓扑选择采用双管正激电路，控制方式既能实现恒压，也能实现电池恒流充电。试验指标合格，能够满足舰船陆地和岸基供电系统的要求。

表2 放电试验和纹波参数记录表格

表3 市电输入时，功率变换器的实验数据

参考文献

[1] 张占松 蔡宣三.开关电源的原理与设计（修订版）[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2] 李定宣.开关稳定电源设计与应用[M].北京：中国电力出版社，2006.

[3] 王金保.新编电子变压器手册[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

[4] 李建林.电池储能技术控制方法研究[J].电网与清洁能源，2012（12）：61?65.

[5] 赵锦成，解璞，刘金宁，等.混合能源互补供电在武器装备中应用研究[J].电网与清洁能源，2011（3）：53?59.

第7篇：电源纹波的测试方法范文

【关键词】反激式；变压器；开关电源；PI Expert

1.引言

近年来，开关电源的发展非常迅速。相对于线性电源，开关电源有着体积小、重量轻、效率高、抗干扰强、输出电压范围宽和便于模块化等优点。开关电源分为隔离和非隔离两种形式，而隔离式又有正激和反激两种拓扑结构。

一般在中小功率电源场合，反激式开关电源往往最具性价比，因此被广泛应用于家电、工业控制、通讯、LED照明等领域。但设计一款具有高性价比的开关电源并非易事，需要设计人员具备丰富的理论知识和实践经验。按照传统的手工设计方法，开关电源需要计算的参数变量非常多，工作量较大。为配合用户进行开关电源的设计，Power Integrations公司推出了PI Expert电源设计软件，大大地减轻了设计人员的工作量。该软件简单易用，灵活方便，是一种高效的开关电源设计工具。

2.反激式开关电源的基本原理

所谓反激式开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。反激式开关电源中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对互相耦合的电感。在实际应用中，反激变换器又经常被设计成不连续导通模式（DCM模式）和连续导通模式（CCM模式），以便根据具体的使用情况实现开关电源的最佳性能[1]。

反激式开关电源一般由电源整流滤波电路，开关芯片，高频变压器，漏极箝位电路，反馈电路和输出滤波电路组成。电源滤波电路一方面消除来自电网的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。输入整流电路将电网输入电压进行整流滤波，为高频变压器提供直流电压。开关芯片是开关电源的关键部分，选择一款好的开关芯片对开关电源的性能起着重大的作用。变压器是整个电源的核心，它把直流高电压变换成低电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。漏极箝位电路的作用是当功率开关管（MOSFET）关断时，对由高频变压器漏感所形成的尖峰电压进行钳位和吸收，以防止开关管因过电压而损坏。反馈电路和输出滤波电路也是开关电源不可缺少的部分，其设计的好坏直接关系着输出电压的稳定性和质量。

3.PI Expert的主要功能和特点

PI Expert是一个自动化的图形用户界面（GUI）程序，通过接收用户输入的电源规格参数，自动生成基于PI系列IC设计的电源方案。PI Expert提供了构建和测试工作原型所需的一切信息，其中包括输入电路、器件选择、器件特性利用、箝位电路以及反馈电路在内的完整示意图和BOM。PI Expert还提供完整的磁特性设计，也可生成用于机械装配的详细绕制说明。PI Expert的最新版本为V9.0。

运用PI Expert设计开关电源有以下几个步骤：

第一步：用设计向导新建一个设计。在向导中我们需要分别选择开关电源的拓扑结构，开关芯片、开关频率、外壳、反馈类型、输入电压类型，输出参数和优化参数。

第二步：选择主输出绕组的匝数范围和磁芯选择范围，之后点击完成设计便可生成一个初步的开关电源电路图和设计参数列表。

第三步：补充参数。在PI Expert窗口左侧的“设计树试图”中补充设置一些未设置过的参数，如主输出电压，输出绕组叠加方式，EMI滤波结构等，设置完毕后点击“开始优化”即可完成。

第四步：手动调整。由于软件根据自身的算法计算元器件的值，所以存在非标或不常用的问题，这会给物料采购带来麻烦，这时候需要在合理的范围内调整器件的值。

设计完成后，PI Expert自动生成电路图、设计结果表单、电路板布局、材料清单和变压器构造示意图，非常方便。

4.设计实例

本文基于PI Expert设计了一款两路输出（+5V/250mA，+12V/1A）的反激式开关电源，其输入电压为通用宽电压85～265V。此电源采用PI公司TinySwitch-III系列产品中的TNY280PN作为开关芯片，高频变压器使用EE19磁芯，具有输出过载和短路保护功能。

4.1 电路设计

PI Expert会根据用户输入的规格参数自动生成电路原理图，其中，较为关键的参数有：

（1）输出叠加方式：因为交流叠加式可提供较佳的交叉稳压和工作效率，故输出绕组采用交流叠加的方式进行互连。

（2）反馈类型：为了得到较佳的稳压效果，此处选择使用TL431作为反馈，并使用偏置绕组进一步减少开关电源的空载功耗。反馈电路的选择直接决定着输出电压的稳压精度，反馈电路一般有初级反馈和次级反馈，次级反馈又有次级稳压管和次级TL431两种电路形式。使用齐纳二极管作为参考的次级侧反馈电路在温度变化时通常可提供约±7%的输出调整率，而带TL-431的次级侧反馈通常可为线电压和负载漂移提供优于±5%输出电压稳压精度[2]。

（3）漏极箝位电路：PI Expert提供了三类不同的箝位电路。软件会根据电源的总输出功率自动选择最佳的箝位电路。由于此电源输出功率在20W以下，故采用简单的稳压二极管箝位电路。

PI Expert设计完成再手工调整后的开关电源原理图如图1所示。

4.2 高频变压器设计

设计高频变压器是设计开关电源最关键的一步。PI Expert在生成原理图的同时自动生成变压器的构造图。调整PI Expert左侧“设计树视图”中的“变压器”和“绕组结构”参数即可调整变压器的参数和结构。设计变压器时需要注意以下两点：

（1）为了减低漏感，功率最高的次级绕组应离变压器的初级绕组最近。若某个次级绕组的圈数较少，则该绕组要横跨绕线区域的整个宽度，以便改善耦合。

（2）由于此电源采用次级侧的稳压方式，偏置绕组应位于初级绕组和次级绕组之间。当偏置绕组位于初级和次级之间时，它相当于一个连接至初级返回端的EMI屏蔽层，降低了电源产生的传导EMI。

高频变压器的最终设计参数[3]如下：

磁芯型号：EE19

初级电感：880uH

初级绕组：漆包线，Φ0.2mm，87匝

偏置绕组：漆包线，Φ0.25mm，10匝

次级绕组1：三层绝缘线，Φ0.4mm，4匝

次级绕组2：三层绝缘线，Φ0.4mm，5匝

绕组顺序（由里向外）：初级绕组，次级绕组2，次级绕组1，偏置绕组。

5.试验结果及分析

根据以上的设计参数实际制作硬件进行试验。

在额定负载情况下，当输入电压为220V时，实测开关电源的输出电压波形如图2所示。从图上可以看出，开关电源的输出特性良好，电压波动非常小。再测输出的纹波波形如图3所示，由图上可以看出，5V的纹波普遍在±100mV左右，12V的纹波在±100mV以下，效果理想。额定负载情况下，当输入电压为85V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象；当输入电压为265V时，测试输出电压的波动和纹波均在允许范围内，未出现电源复位重启现象；再对电源作保护功能的测试。使开关电源的输出过载或短路时，开关电源进入2.5s间隔的自动复位重启保护；输出负载正常时开关电源恢复正常工作。

6.结语

试验证明本文基于PI Expert设计的反激式开关电源具有良好的工作性能和高可靠性。该电源结构简单，具有输出过载和短路等保护功能。PI Expert是一款高效的设计工具，借助PI Expert软件可以大大缩短开关电源的开发周期。

参考文献

[1]周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用电路[M].北京：中国电力出版社，2006.

第8篇：电源纹波的测试方法范文

关键词： 负电压电路； 开关电源； 参数分析； 电路设计

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0101?04

Design of negative voltage circuit based on LTC3863

LIU Yong1， WANG Xiao?zhe2

（1. Shaanxi Siyu Inforation Technology Co.， Ltd.， Xi’an 710075， China； 2. Shaaxi Changling Electrical Co.， Ltd.， Baoji 721006， China）

Abstract： Many circuits in modern electronic systems need negative voltage as the power supply or control signals. The traditional circuits using transformers has the disadvantages of big volume and low efficiency. The principle that produces the negative voltage is analyzed in this paper. A design method of negative voltage circuit based on LTC3863 is proposed in combination with actual application in engineering. The parameters of main components in the circuit are analyzed and calculated. The simulation and experimental results show that the circuit has the characteristics of high efficiency and small size， and can be widely used in embedded and hand?held terminal systems.

Keywords： negative voltage circuit； SMPS； parameter analysis； circuit design

0 引 言

随着电子技术的提高以及电子产品的发展，一些系统中经常会需要负电压为其供电。例如在LCD背光系统中，会使用负电压为其提供门极驱动和偏置电压，在部分系统的运算放大器中，也经常会使用正负对称的偏置电压为其供电。此外还有部分集成电路如AD835等、电子开关SW276等器件，也需要负电压供电或作为控制端。通常所说的负电压，只是相对于零电位参考点而言。根据所选择的参考点，可以把电压分为正电压和负电压。绝大多数情况下选择大地作为电压的参考点（零电位），高于大地电位的就是正电压，反之就是负电压。当然随着电位参考点的变化，正负电压的界定标准也会相应变化。一般而言，正电压的低电平端是零电位，也就是通常说的大地端，而负电压则相反，大地端的零电位恰恰是负电压的高电平端。

要从一个正电压源产生一个负电压，一般原理是通过储能器件的反向电势，改变流经负载中电流的方向从而产生负电压，主要方法包括采用变压器、开关电源等。其中变压器法体积大，效率低；开关开关电源法设计参数计算比较麻烦，分立元器件使用得多，电路体积大。本文提出一种基于LTC3863的负电压电路设计方法，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式及手持终端等设备中使用。

1 负电压产生原理

在电压变换设计电路中，开关电源（SMPS）因其高效、灵活等特点，成为工程师的首选设计方案。根据电路拓扑的不同，开关电源可以将直流输入电压转换成不同的直流输出电压。实际应用中存在多种拓扑结构，比较常见有三种基本类型，按照功能划分为降压（buck）、升压（Boost）、升/降压（Buck?Boost或反转）。在以上三种拓扑结构中，Buck?Boost模式能产生负电压，重点对其进行简要分析。Buck?Boost模式电路一般都包括MOSFET开关、二极管、输出电容和电感。MOSFET是拓扑中的有源受控元件，通常与控制器连接，控制器输出脉宽调制（PWM）方波信号驱动MOSFET栅极，控制器件的关断或导通。为了使输出电压保持稳定，控制器检测开关电源输出电压，并改变方波信号的占空比（D），即MOSFET在每个开关周期[（TS）]导通时间。D是方波导通时间和周期的比值[（TONTS），]直接影响开关电源的输出电压。MOSFET的导通和关断状态将电路分为两个阶段：充电阶段和放电阶段，充电期间电感所储存的能量，在放电期间传递给输出负载和电容上。基本电路简化如图1所示。

图1 Buck?Boost模式简化电路

在图1中，[Vin]为输入电源，[V1]为控制开关，[L1]为储能电感，[V2]为整流二极管，[C2]为储能滤波电容，[Vout]为输出电压。当控制开关[V1]接通的时候，输入电源[Vin]开始对储能电感[L]加电，流过储能电感[L1]的电流开始上升，上升速度[didt=VinL，]同时电流的变化在储能电感中也会产生磁场；当控制开关[V1]由接通转为关断的时候，储能电感[L1]会产生反电动势，使电流继续流动，此时电流不断下降，下降速率[didt=-VinL，]并通过整流二极管[V2]进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载提供电流输出。控制开关[V1]不断地反复接通和关断，在负载上就可以得到一个负极性的电压输出。

2 LTC3864特点及内部结构

凌力尔特公司 （Linear Technology Corporation）的LTC3863是一款高性能的反相DC/DC开关电源转换芯片，能够从一个3.5 ～60 V[的正输入范围产生一个-0.4～]

-150 V的负输出电压。该器件采用单电感器拓扑以及一个有源[P]沟道MOSFET 开关和一个二极管，其高集成度可造就一款简单和低组件数目的解决方案。LTC3863 有卓越的轻负载效率，在用户可编程的突发模式（Burst Mode?）操作中仅吸收70 μA静态电流。其峰值电流模式、恒定频率PWM架构可提供电感器电流的正控制、简易的环路补偿和绝佳的环路动态特性。开关频率能利用一个外部电阻器在50～850 kHz的范围内进行设置，而且可同步至一个75～750 kHz的外部时钟。LTC3863提供了可编程软起动或输出跟踪。安全功能包括过压、过流和短路保护 （包含频率折返）。该器件采用MSOP?12和3 mm×4 mm DFN封装，体积极小，适用于对空间体积要求比较高的场合。

在图2中，1管脚（PLL/MODE）是外部时钟输入或Burst模式的使能端，当有脉冲接入时内部PLL电路对其跟踪并作为控制频率，当没有外部时钟时该管脚可作为工作模式控制端。2管脚（FREQ）是开关频率的设置输入端，通过连接到地电阻，选择不同的开关频率，也可以直接连接DC电压作为频率控制。3管脚（SGND）是信号地，是所有小信号模拟输入的地平面参考，在PCB板上通常与电源地通过单点连接。4管脚（SS）是软启动和外部跟踪的输入端，通过连接到底电容设置输出电压的稳定时间，也可以通过电阻连接其他电源作为软启动的控制端。5管脚（VFB）是输出反馈端，通过分压电阻设置输出电压的值，该点电压如果过低，会自动降低开关频率，防止开关周期中开的时间过短。6管脚（ITH）是电流阈值及补偿控制端，是LTC3863内部误差放大器的输出，输出范围为0～2.9 V。7管脚（VFBN）是反馈输入端，通过分压电阻分别与VFB、输出电源连接。8管脚（RUN）是控制使能端，当电压大于1.26 V时控制器工作，由于内部上拉电阻，该管脚可以悬空使用。9管脚（CAP）是内部驱动器DRV的负驱动端，通常连接至少0.1 μF的低损耗陶瓷电容。10管脚（SENSE）是电流传感输入端，通过高精度传感电阻[RSENSE]与电源[VIN]连接，设置最大限制电流。11管脚（[VIN]）是电源输入端，也是芯片的供电端，应至少连接0.1 μF的旁路电容到地。12管脚（GATE）是外部P沟道MOSFET的驱动DVR输出端，内部DVR的正负供电压差8 V，如果小于3.5 V将不能正常工作。13脚（PGND）是电源地，通过散热焊盘与印制板连接。

图2 LTC3863内部结构图

3 电路设计及参数计算

3.1 电路设计基本要求

按照笔者实际工作中需求，对该电路设计主要有以下设计要求：

（1） 输入电压：+5～+12 V；

（2） 输出电压：（-12±0.5） V；

（3） 负载电流：1 A；

（4） 输出电压纹波：1%；

（5） 输出电压负载调整率：1%；

（6） 转换效率：80%（输出电流1 A时）。

3.2 电路原理设计

按照设计要求及LTC3863的使用要求设计电路原理图如图3所示，该电路可从一个4.5～16 V输入产生一个-12 V/1 A的输出，工作原理类似于反激式转换器，当开关导通时将能量存储在电感器中，而当开关切断时则通过二极管将能量释放至输出端。为了避免当输出短路时由于最小导通时间的原因而产生过大的电流，该控制器在输出小于标称值的一半时折返开关频率。

图3 电路原理图设计

3.3 电路参数分析及计算

（1） 输出电压

该电路的设计输出主要由输出分压电阻设置。根据LTC3863内部VFB和VFBN之间设定固定电压0.8 V，可知输出电压[Vout]与反馈电阻有如下关系：

[VOUT=-0.8? RFB1RFB2] （1）

根据输出要求，可以设置[RFB1=]1.2 MΩ，[RFB2=]80 kΩ。

（2） 开关频率

开关频率、电感、电容等参数的选择直接关系到转换电路的效率。开关频率如果选择较高，可以大幅度减小电感、电容的体积，但会因MOSFET的快速转换及损耗导致开关电路的效率降低。所以，以上参数的选择都相互影响。开关频率如果不提供外部时钟输入，则可通过调整2管脚（FREQ）的接地电阻值确定开关频率，可调整范围为50～850 kHz，如果该管脚接地则固定频率350 kHz，该管脚悬空开关频率为535 kHz，接地电阻与开关频率的关系可通过查找该器件datasheet中数据确定。本设计中确定开关频率400 kHz，通过查表得知电阻[RFREQ]为61.9 kΩ，如图4所示。

图4 开关频率与频率选择电阻的关系

（3） 限流取样电阻

在该电路设计中，管脚SENSE与电源[VIN]之间的电阻[RSENSE]取值决定输出电流的大小。该电阻是一个精密取样电阻，电感中能够经过的最大电流为[95 mVRSENSE，]可以根据式（2）计算该电阻的取值。通过计算及分析，该电路设计中[RSENSE]取值为16 mΩ，精度1%，额定功率0.1 W。

[IOUT（LIMIT）=95 mVRSENSE - ΔIL2?（1-D）] （2）

（4） 电感

电感值的大小影响到效率及纹波，电感值大会使得电流纹波变小，效率提升，但需要更大的体积及饱和率更高的磁芯。同时电感值也会影响到反馈环路的稳定性，感值过大会降低环路稳定度，也会因电流上升率缘故使电路瞬态响应变慢。电感值的选择可以根据公式（3）进行初步计算，在初步计算的基础上，根据效率、电流、纹波等要求进行调整，本设计中取值[L=10 μH。]

[L= VIN（MAX）2?（VOUT+VD）0.4?IOUT（LIMIT）?f?（VIN（MAX）+VOUT+VD）2] （3）

其余元器件的选型此处不再逐个分析，元器件型号及具体参数如图2原理设计中所示。

4 仿真及验证结果

根据图2中原理设计，对该电路进行仿真分析及排版验证。在该电路中，主要通过MOSFET的通断控制电感[L]的充电、放电过程，通过电流的反向流动产生负电压。对电路中的12管脚控制端[VGATE、]电感正端的电压[VL、]电感中的电流[IL、]电压输出[VOUT]分别进行测试，其波形如图5所示，可以看出电感[L]的随[VGATE]的充放电过程。

该电路可以通过PLL/MODE选择工作在Burst模式或Pluse?Skipping模式。当PLL/MODE管脚悬空时，电路工作在Burst模式下，如果[VFB]比参考电压高，芯片内部的误差放大器将会自动降低ITH脚的电压，当ITH脚电压低于0.425 V时会自动进入休眠模式，该模式下大部分内部电路将会被关闭，直至外部电压降低至能够关闭该状态。当PLL/MODE管脚接地时，电路工作在Pluse?Skipping模式下，芯片内部ICMP电路将会使外部MOSFET保持开关状态，该模式下输出电压的纹波、噪声幅度都比较小，对射频干扰也比较小，但是转换效率没有Burst模式高。两种工作模式下转换效率的比较如图6所示。

图5 电路测试点电压、电流波形图

5 结 语

负电压产生电路在电子线路设计中经常用到，本文设计了一种基于LTC3863的负电压电路，在输入3.5～60 V的条件下，可产生-12 V/1 A的负电压，经测试该电路能够达到使用要求，并在笔者实际工程中已经成熟使用。该电路使用元器件种类数量少，整个电路占空间小，具有出色的灵活性和轻负载效率，特别适合于嵌入式、手持终端等设备中使用。

图6 两种工作模式下转换效率比较

参考文献

[1] 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计平[M].北京：电子工业出版社，1998.

[2] 王英剑，常敏慧，何希才.新型开关电源实用技术[M].北京：电子工业出版社，1999.

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[4] 栾成强.高压负电源的设计及应用[J].国外电子元器件，2001（6）：71?72.

[5] 胡玉祥.具有跟踪温度变化能力的负电压发生器设计[J].电测与仪表，2003（2）：50?51.

[6] 程剑平，魏同立.锂离子保护电路中的负电压检测[J].电子器件，2002，25（4）：409?412.

第9篇：电源纹波的测试方法范文

关键词：89C52单片机； D/A转换； A/D转换； 恒流源电路

中图分类号： TN911?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）08?0153?04

0 引 言

从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支持，而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平，即提高一个国家单位能耗的产出水平，具有举足轻重的作用。在电源种类繁多和技术的多样化中，不断地提出更多、更高、更先进的要求来迎合当今社会时代的步伐。电源设备是电子仪器的一个重要组成部分，通常有直流电压源、电流源、交流电压源，电压源等。随着信息时代的飞速发展，电源设备也逐渐向数字化方向发展，便有了数控直流电流源的研究方向[1?3]。

数控直流电流源是一种低纹波、高精度并当负载在一定范围内变化时具有良好的稳定性、输出可预置的数控直流电流源，它是现代科学研究和生产的需要，也代表着直流电流源发展的方向，而且得到了越来越广泛的应用[4]。

1 设计任务要求

在此设计并制作出一款数控直流电流源[5]。其原理示意图如图1所示。

具体要达到的技术指标为：

（1）输入交流为200～240 V，50 Hz；输出直流电压≤10 V。

（2）输出电流范围：20～2 000 mA；

（3）可设置并显示输出电流给定值，要求输出电流与给定值偏差的绝对值≤给定值的2%+1 mA；

（4）具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤2 mA；

（5）改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，要求输出电流变化的绝对值≤输出电流值的2%+1 mA；

（6）纹波电流≤1 mA。`

2 系统总体设计

本系统采用STC89C52[6]单片机作为整机的控制部分，通过键盘改变或设定数字量，经D/A转换后产生相应的电压值，从而控制恒流源电路；为了能够使系统具备检测实际输出电流值的功能，可以在输出回路上串联取样电阻，将实际输出电流转换成电压，并经过A/D进行模数转换，用单片机实时对电压进行采样，然后进行数据处理及显示[7]。此系统比较灵活，采用软件方法来解决数据的预置以及电流的步进控制，使系统硬件更加简洁、灵活，各类功能易于实现，能很好地满足性能指标的要求。具体框图如图2所示。

3 各部分模块电路设计

3.1 键盘与显示电路

键盘电路和显示电路由8255驱动[8]，如图3所示。显示部分采用共阳数码管动态扫描方式，在程序控制下，可以显示输出电流和采样电流；键盘采用矩阵结构，有：显示切换键、后退键、加1键、减1键、确认键、0～9数字键入键等。

3.2 电源电路

±15 V电源电路由输出电压极性不同的集成稳压器MC7815，MC7915构成，如图4所示。

图4（a）中4个1N5408组成整流桥，可以把交流电转换为直流电，C1，C2，C3，C4为大容量滤波电容，C5，C6，C7，C8为高频滤波电容，它们用于抑制芯片自激，减小高频噪声。

两种芯片输入端分别加上18 V以上的输入电压，输出端便能输出±15 V的电压，R1，R2，R3用于调整集成稳压器MC7815输出端的电流平衡。图4（b）所示，+5 V电源电路由MC7805芯片构成，C9为大电容用于滤波，C11，C12用于抑制输出噪声[9]。

3.3 电流源电路

电流源电路由OP07运算放大器和输出三极管组成，如图5所示，其基本控制原理是：

[I0R0=IR3+W2]

[I1=VbR2]

[Va=kVb=kR2I1]

[=kR2·R0R3+W1·Io]

式中：k是[k=R1+W1W1]；[Va]是单片机内部数字量所对应的模拟电压；[Io]是输出的电流。由此可见，当[R1]，[W1]，[R0]，[R3]，[W1]，[R2]都确定后，那么[Io]由[Va]惟一的决定，与输入电压和负载都无关。也就是说，[Io]由单片机的数字量决定。这样，就实现了数控恒流电源。

3.4 电流采样电路

为了能够对输出电流的进行实时的观察，必须在输出回路上要有采样电路，图5中Rx就是采样电阻，Vx就是采样得到的电压，经过OP07放大以后的电压为Vc，此电压经A/D转换后送到单片机，经处理后进行显示，这样就实现了对输出电流的显示。由图可知：

[Vc=1+R6+W3R5Vx= 1+R6+W3R5I0Rx]

4 软件系统设计

软件部分是实现系统功能的核心，软件的设计要兼顾功能的实现，同时也要考虑操作的方便性，体现人性化操作，要提示尽量详细的信息，并要有适当的保护功能，如规定输出电流最大2 000 mA，则键盘输入的数字量不要超过2 000 mA，以免过载烧掉功率管等，软件部分由以下几个大的模块组成。

主程序要完成中断系统、定时器、用户单元的初始化工作，其主要任务是进行键盘扫描和完成显示。其具体流程如图6所示。定时器中断程序的任务是完成A/D的采样（采样频率），同时完成闪烁等功能，中断程序流程如图7所示。

5 系统测试

由表1测试结果可看出，本系统达到了以下两项指标：

（1）输出电流范围：20～2 000 mA，并且线性良好。

（2）可设置并显示输出电流给定值，输出电流与给定值偏差的绝对值不大于给定值的2%+1 mA；

由表2测试结果可看出，本系统达到了下面的指标：具有“+”、“-”步进调整功能，步进≤2 mA；

由表3测试结果可看出，本系统达到以下的指标：改变负载电阻，输出电压在10 V以内变化时，输出电流变化的绝对值不大于输出电流值的2%+1 mA；由表4测试可看出，本系统达到了以下的指标：纹波电流≤1 mA。

通过表1～表4可知，该系统各项指标都达到了预定的要求，并且在软件管理上本系统实现了人性化、智能化管理，具体如下：键盘输入均有短音提示，数据采用移位输入，符合人们操作习惯；输入数据时，处于闪烁状态，可以用退格键取消刚输入的数据，按下“确认”键后，数据输出，同时停止闪烁；数据输入最多4位，输入第5位后，会有长音提示，提醒操作人员；按下“确认”键时，如果输入数据超过20～2 000 mA（系统指标规定），会有长音提示，提醒操作人员，同时数据无效（不会输出）。当+1，-1操作时，当数据超过20～2 000 mA，同样会有长音提示，以提示操作人员，此时数据无效（不会输出）。

6 结 论

系统输出实际测试结果表明，本系统输出电流稳定，不随负载和环境温度变化，输出电流误差范围±5 mA，输出电流可在20～2 000 mA范围内任意设定。

经测试，本系统稳定性好、精度较高、操作简单、人机界面友好。在科学研究和设备生产中，能够广泛应用到这种可靠性高、操作简单的数控电流源，不仅能够提高设备的性能，同时能够缩短研发周期，本系统具有较高实用性[10]。

参考文献

[1] 张明锐，姜以宁.基于51 单片机的多功能数控电流源设计[J].电子设计工程，2012（1）：132?133.

[2] 王维斌.数控直流电流源的设计[J].科技信息，2011（26）：412?413.

[3] 李银祥.数控电流源[J].现代科学仪器，2001（6）：52?53.

[4] 赵东坡.基于单片机的数控直流电流源设计与实现[J].仪表技术，2008（6）：58?60.

[5] 全国大学生电子设计竞赛组委会.第六届全国电子设计竞赛获奖作品选编[M].北京：北京理工大学出版社，2005.

[6] 张志良.单片机原理与控制技术[M].北京：机械工业出版社，2001.

[7] 丁敏.数控直流恒流源的设计[J].中国科技信息，2011，25（6）：110?112.

[8] 陈明荧.8051单片机设计实训教材[M].北京：清华大学出版社，2004.