CN209994272U - 开关电源的纹波噪声抑制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种开关电源的纹波噪声抑制装置，包括控制模块、开关模块、电压输出模块及反馈抑制模块，开关模块与控制模块电连接，开关模块与电压输出模块电连接，反馈抑制模块与电压输出模块电连接，反馈抑制模块与控制模块电连接；反馈抑制模块包括取样单元、稳压单元及光耦单元，取样单元与电压输出模块电连接，取样单元与稳压单元电连接，稳压单元与光耦单元的输入端电连接，光耦单元与控制模块电连接。本实用新型能够有效地降低纹波噪声，稳定输出的电压，并且在产品空间限制的情况下，不用加多个电解电容、多级滤波电感以及固态电容，来实现纹波噪声降低到所需的指标范围，从而可以降低成本，使得装置的结构更紧凑，结构更简单。

Description

开关电源的纹波噪声抑制装置

技术领域

本实用新型涉及噪声消除结构领域，特别是涉及一种开关电源的纹波噪声抑制装置。

背景技术

近年来开关电源的发展十分迅速，由于其具有效率高、体积小，可靠性高的特点，在很多领域已经替代了传统的线性稳压电源作为***的供电电源，目前，开关电源已日益广泛地应用到各种控制设备、通信设备以及家用电器中，其电磁干扰问题、及与其它电子设备的电磁兼容问题已日益成为人们关注的热点，未来电磁干扰及其相关问题必将得到更多的研究，如今在开关电源体积越来越小，功率密度越来越大的趋势下：EMI、EMC问题成为了开关电源稳定性的一个关键因素，也是一个最容易忽视的方面。开关电源的EMI抑制技术在开关电源设计中有重要的位置，实践证明，EMI问题越早考虑、越早解决，费用越小、效果越好，现有的开关电源工作方式主要有PWM(脉宽调制)、脉冲频率调制(PFM)方式等，还有开关电源按主电路型式可分为全桥式，半桥式，推挽式等几种，但无论何种类型的开关电源在工作时都会产生很强的纹波噪声 (ripple noise)。它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空间辐射。开关电源对由电网侵入的外部噪声也很敏感，并经它传递到其他电子设备中产生干扰，电源的噪声越大输出的纹波也越大。较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生，降低了电源的效率，导致烧毁使用中的电器；会干扰数字电路的逻辑关系，影响其正常工作；会使图像设备、音响设备不能正常工作等。

纹波(ripple)的定义是指在直流电压或电流中，叠加在直流稳定量上的交流分量，我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度。

目前现有的电源纹波噪声抑制几种常用方法：1、加大输出低频滤波电感； 2、增多电解电容和加大输出电解电容参数；3、增加输出陶瓷片式电容；4、输出电容用高频低阻，甚至用固态电容。

现有的技术缺陷：1、加大输出低频滤波电感，会使成本增加，产品空间增加，如果设计的产品尺寸不许可，将很难改善问题；2、增多电解电容和加大输出电解电容参数，电容体积增大，会使成本增加，产品空间增加，如果设计的产品尺寸许可，将很难改善问题；电解电容不能无限制的增加，会导致输出低频纹波残留；3、增加多个输出陶瓷片式电容，会使成本增加；4、输出电容用高频低阻电容，甚至用固态电容，会使成本增加，超出预算价格，客户不易接受。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足之处，提供一种开关电源的纹波噪声抑制装置，在产品空间限制的情况下，不用加多个电解电容、多级滤波电感以及固态电容，来实现纹波噪声降低到所需的指标范围，从而可以降低成本，使得装置的结构更紧凑，结构更简单。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种开关电源的纹波噪声抑制装置，包括：控制模块、开关模块、电压输出模块及反馈抑制模块，所述开关模块的输入端与所述控制模块电连接，所述开关模块的输出端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的采集端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的输出端与所述控制模块的反馈端电连接；

所述反馈抑制模块包括取样单元、稳压单元及光耦单元，所述取样单元的一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述取样单元的另一端与所述稳压单元电连接，所述稳压单元的输出端与所述光耦单元的输入端电连接，所述光耦单元的输出端与所述控制模块的反馈端电连接。

在其中一个实施例中，所述取样单元包括电阻R8和电阻R9，所述电阻R8 的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R8的第二端经所述电阻R9后接地。

在其中一个实施例中，所述稳压单元包括电容C3、电阻R7及稳压器U6，所述电容C3的一端与所述电阻R8的第二端电连接，所述电容C3的另一端与所述电阻R7的第一端电连接，所述电阻R7的第二端与所述稳压器U6的阴极电连接，所述稳压器U6的阳极接地，所述稳压器U6的参考极还与所述电阻R8 的第二端电连接。

在其中一个实施例中，所述光耦单元包括电阻R5、电阻R6及光电耦合器 PC1，所述电阻R6的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R6 的第二端分别与所述电阻R5的第一端和所述光电耦合器PC1的阳极电连接，所述电阻R5的第二端分别与所述光电耦合器PC1的阴极和所述稳压单元的输出端电连接，所述光电耦合器PC1的输出端与所述控制模块电连接。

在其中一个实施例中，所述控制模块包括PWM控制芯片及电容C1，所述电容C1的一端与所述PWM控制芯片的反馈引脚电连接，所述电容C1的另一端接地，所述PWM控制芯片的反馈引脚还与所述光耦单元的输出端电连接。

在其中一个实施例中，所述开关模块包括驱动单元及开关单元，所述驱动单元的输入端与所述控制模块的输出端电连接，所述驱动单元的输出端与所述开关单元电连接，所述开关单元的输出端与所述电压输出模块的输入端电连接。

在其中一个实施例中，所述驱动单元包括电阻R1及二极管D1，所述电阻 R1的第一端与所述控制模块的输出端电连接，所述电阻R1的第二端与所述开关单元的输入端电连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R1的第一端电连接，所述二极管D1的阳极与所述电阻R1的第二端电连接。

在其中一个实施例中，所述开关单元包括电阻R2、电容C4及MOS管Q3，所述MOS管Q3的G极与所述驱动单元的输出端电连接，所述MOS管Q3的D 极与所述电压输出模块的输入端电连接，所述MOS管Q3的S极与所述控制模块电连接，所述电阻R2的一端与所述MOS管Q3的G极电连接，所述电阻R2 的另一端接地，所述电容C4的两端分别与所述MOS管Q3的D极和S极电连接。

在其中一个实施例中，所述电压输出模块包括变压器T1、二极管D2及电容C6，所述变压器T1的初级与所述开关模块的输出端电连接，所述变压器T1 的次级与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与所述电容C6 的一端电连接，所述电容C6的另一端接地。

在其中一个实施例中，所述开关电源的纹波噪声抑制装置还包括屏蔽铜箔及绝缘垫片，所述屏蔽铜箔用于嵌置于所述MOS管Q3的管体及所述MOS管 Q3的散热器之间，并且所述屏蔽铜箔的一侧面贴附于所述MOS管Q3的管体上，所述绝缘垫片设置于所述屏蔽铜箔远离所述MOS管Q3的一侧面上。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

本实用新型为一种开关电源的纹波噪声抑制装置，通过设置取样单元、稳压单元及光耦单元，能够有效地降低纹波噪声，稳定输出的电压，并且在产品空间限制的情况下，不用加多个电解电容、多级滤波电感以及固态电容，来实现纹波噪声降低到所需的指标范围，从而可以降低成本，使得装置的结构更紧凑，结构更简单。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型一实施方式的开关电源的纹波噪声抑制装置的功能模块图；

图2为图1所示的开关电源的纹波噪声抑制装置的电路图；

图3为图1所示的开关电源的纹波噪声抑制装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面将参照相关附图对本实用新型进行更全面的描述。附图中给出了本实用新型的较佳实施方式。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如果要解除纹波噪声，达到我们需要满足的产品，首先要清楚开关电源输出纹波主要来源哪里？开关电源输出纹波主要来源于以下几个方面：1、输入低频纹波；2、高频纹波；3、寄生参数引起的共模纹波噪声；4、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声；5、闭环调节控制引起的纹波噪声。

纹波噪声的解除方法：纹波与输出电路的滤波电容容量相关，交流纹波经 DC/DC高频变压器变换衰减后，在开关电源输出端表现为低频噪声，其大小由 DC/DC高频变压器的变比和控制芯片(PWM IC)的增益决定，要实现开关电源的低纹波输出，必须对低频电源纹波采取滤波措施。除了常规的采取加大输出低频滤波的电感，电容参数外，使低频纹波噪声降低到所需的指标。

本申请主要用前馈控制方法，降低低频纹波分量，主要用于一些纯滞后或容量滞后引起较大的纹波噪声。

请参阅图1，一种开关电源的纹波噪声抑制装置，包括：控制模块100、开关模块200、电压输出模块300及反馈抑制模块400，所述开关模块的输入端与所述控制模块电连接，所述开关模块的输出端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的采集端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的输出端与所述控制模块的反馈端电连接。需要说明的是，所述控制模块100用于控制电压的输出；所述开关模块200用于关断或导通电压的输出；所述电压输出模块300用于输出稳定的电压；所述反馈抑制模块400用于采集输出端的电压，并且及时传送至控制模块中，进而调整输出端的电压，降低输出电压中的纹波噪声，提高电压输出的稳定性。

请参阅图1，所述反馈抑制模块400包括取样单元410、稳压单元420及光耦单元430，所述取样单元的一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述取样单元的另一端与所述稳压单元电连接，所述稳压单元的输出端与所述光耦单元的输入端电连接，所述光耦单元的输出端与所述控制模块的反馈端电连接。需要说明的是，所述取样单元410用于采集输出端的电压；所述稳压单元420 用于稳定采集后的电压；所述光耦单元430用于将接收到的稳压输出至控制模块的反馈端中。

请参阅图2，所述取样单元包括电阻R8和电阻R9，所述电阻R8的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R8的第二端经所述电阻R9后接地。

进一步地，所述稳压单元包括电容C3、电阻R7及稳压器U6，所述电容 C3的一端与所述电阻R8的第二端电连接，所述电容C3的另一端与所述电阻 R7的第一端电连接，所述电阻R7的第二端与所述稳压器U6的阴极电连接，所述稳压器U6的阳极接地，所述稳压器U6的参考极还与所述电阻R8的第二端电连接。

具体地，所述光耦单元包括电阻R5、电阻R6及光电耦合器PC1，所述电阻R6的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R6的第二端分别与所述电阻R5的第一端和所述光电耦合器PC1的阳极电连接，所述电阻R5 的第二端分别与所述光电耦合器PC1的阴极和所述稳压单元的输出端电连接，所述光电耦合器PC1的输出端与所述控制模块电连接。

图中输出端电压为VB+，取样电压是从输出电压(VB+)通过一个固定电阻值电阻R8和电阻R9分压、限流，还与光电耦合器(PC1)内部的发光二极管加到精密稳压器U6(TL431可控分流基准)上，光电耦合器内的光敏三极管基极的光强增大，其光电耦合器的CE结导通电压降低。反馈到前级PWM IC 的反馈引脚的误差放大和比较电路中，控制PWM IC的输出引脚的占空比，即控制PWM IC的GATE引脚的占空比，驱动输出开关模块中的开关管的导通时间，使输出电压(VB+)达到稳定性。

图2中的电容C3和电阻R7组成了RC频率补偿网络，稳压器U6(TL431 可控分流基准)反馈并将误差放大，驱动一个光电耦合器的发光部分，而处在主边的光耦感光部分得到的反馈电压PWM IC第2脚，调整PWM第6脚的占空比。电容C3一搬选择不宜过大，在0.1uF-0.22uF之间，过大了会影响相应速度变慢，导致输出电压VB+纹波噪声增大，通过调整电容C3的容值，改变频率补偿，可实现纹波噪声降低到所需的指标。

请参阅图2，所述控制模块包括PWM控制芯片及电容C1，所述电容C1的一端与所述PWM控制芯片的反馈引脚电连接，所述电容C1的另一端接地，所述PWM控制芯片的反馈引脚还与所述光耦单元的输出端电连接。

需要说明的是，图2中的电容C1接到PWM IC的第2脚，即电压反馈脚，通过连接光电耦合器来关闭控制回路，实现调节输出电压达到稳定性，电容C1 为补偿电容，一搬选择不宜过大，在100PF-0.01uF之间，过大了同样会影响相应速度变慢，导致输出电压VB+不稳定，纹波噪声增大，通过调整电容C1的容值可实现输出电压纹波噪声降低到所需的指标。

请参阅图1，所述开关模块200包括驱动单元210及开关单元220，所述驱动单元的输入端与所述控制模块的输出端电连接，所述驱动单元的输出端与所述开关单元电连接，所述开关单元的输出端与所述电压输出模块的输入端电连接。需要说明的是，所述驱动单元210用于驱动开关单元导通，并且输出电压；所述开关单元用于实现电压输出的导通作用。

请参阅图2，所述驱动单元包括电阻R1及二极管D1，所述电阻R1的第一端与所述控制模块的输出端电连接，所述电阻R1的第二端与所述开关单元的输入端电连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R1的第一端电连接，所述二极管D1的阳极与所述电阻R1的第二端电连接。

请参阅图2，所述开关单元包括电阻R2、电容C4及MOS管Q3，所述MOS 管Q3的G极与所述驱动单元的输出端电连接，所述MOS管Q3的D极与所述电压输出模块的输入端电连接，所述MOS管Q3的S极与所述控制模块电连接，所述电阻R2的一端与所述MOS管Q3的G极电连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C4的两端分别与所述MOS管Q3的D极和S极电连接。

图2中的电阻R1属于驱动电阻，一端接到PWM IC第6脚，另一端接到外部的MOS管Q3的栅极驱动脚。适当改变电阻R1驱动电阻，电阻R1不可改为太大，根据实际电路调整，一般在20欧姆到47欧姆之间调整，可改善输出电压VB+的纹波噪声，改变了驱动电阻的大小就改变了MOS管Q3的开关速度，加大电阻R1的电阻值，就减慢了MOS管Q3的开关速度，通过此方法改变电阻R1的大小可以抑制共模噪声，可实现输出电压降纹波噪声低到所需的指标。

同时，反馈到前级PWM IC的反馈引脚的误差放大和比较电路中，控制PWM IC的输出引脚的占空比，即控制PWM IC的GATE引脚的占空比，驱动输出外部的MOSFET(Q3)导通时间，使输出电压(VB+)达到稳定性。

还需要说明的是，所述电压输出模块包括变压器T1、二极管D2及电容C6，所述变压器T1的初级与所述开关模块的输出端电连接，所述变压器T1的次级与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与所述电容C6的一端电连接，所述电容C6的另一端接地。

请查阅图3，所述开关电源的纹波噪声抑制装置还包括屏蔽铜箔及绝缘垫片，所述屏蔽铜箔用于嵌置于所述MOS管Q3的管体及所述MOS管Q3的散热器之间，并且所述屏蔽铜箔的一侧面贴附于所述MOS管Q3的管体上，所述绝缘垫片设置于所述屏蔽铜箔远离所述MOS管Q3的一侧面上。

需要说明的是，图3中功率MOS管Q3与散热器10组装在一起时，按图3 方法进行安装，即用屏蔽铜箔20设置在晶体管上，可以减小由于寄生电容引起的噪声传播，降低动点与大地的耦合电容，最根本的动点，一般来说就是开关功率晶体管Q3的D极，而通过开关功率晶体管Q3的D极为了散热，会贴到大面积的散热器10上，而大面积的散热器10对大地的耦合电容很大，所以，开关功率晶体管Q3的D极不应该直接和大面积的散热器连接，而要通过绝缘垫片30和屏蔽铜箔20隔开，可实现纹波噪声降低到所需的指标，如此，能够有效地降低纹波噪声，稳定输出的电压，并且在产品空间限制的情况下，不用加多个电解电容、多级滤波电感以及固态电容，来实现纹波噪声降低到所需的指标范围，从而可以降低成本，使得装置的结构更紧凑，结构更简单。

本实用新型相比于现有技术的优点及有益效果如下：

本实用新型为一种开关电源的纹波噪声抑制装置，通过设置取样单元、稳压单元及光耦单元，能够有效地降低纹波噪声，稳定输出的电压，并且在产品空间限制的情况下，不用加多个电解电容、多级滤波电感以及固态电容，来实现纹波噪声降低到所需的指标范围，从而可以降低成本，使得装置的结构更紧凑，结构更简单。

以上所述实施方式仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，包括：控制模块、开关模块、电压输出模块及反馈抑制模块，所述开关模块的输入端与所述控制模块电连接，所述开关模块的输出端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的采集端与所述电压输出模块电连接，所述反馈抑制模块的输出端与所述控制模块的反馈端电连接；

所述反馈抑制模块包括取样单元、稳压单元及光耦单元，所述取样单元的一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述取样单元的另一端与所述稳压单元电连接，所述稳压单元的输出端与所述光耦单元的输入端电连接，所述光耦单元的输出端与所述控制模块的反馈端电连接。

2.根据权利要求1所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述取样单元包括电阻R8和电阻R9，所述电阻R8的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R8的第二端经所述电阻R9后接地。

3.根据权利要求2所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述稳压单元包括电容C3、电阻R7及稳压器U6，所述电容C3的一端与所述电阻R8的第二端电连接，所述电容C3的另一端与所述电阻R7的第一端电连接，所述电阻R7的第二端与所述稳压器U6的阴极电连接，所述稳压器U6的阳极接地，所述稳压器U6的参考极还与所述电阻R8的第二端电连接。

4.根据权利要求1所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述光耦单元包括电阻R5、电阻R6及光电耦合器PC1，所述电阻R6的第一端与所述电压输出模块的输出端电连接，所述电阻R6的第二端分别与所述电阻R5的第一端和所述光电耦合器PC1的阳极电连接，所述电阻R5的第二端分别与所述光电耦合器PC1的阴极和所述稳压单元的输出端电连接，所述光电耦合器PC1的输出端与所述控制模块电连接。

5.根据权利要求1所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述控制模块包括PWM控制芯片及电容C1，所述电容C1的一端与所述PWM控制芯片的反馈引脚电连接，所述电容C1的另一端接地，所述PWM控制芯片的反馈引脚还与所述光耦单元的输出端电连接。

6.根据权利要求1所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述开关模块包括驱动单元及开关单元，所述驱动单元的输入端与所述控制模块的输出端电连接，所述驱动单元的输出端与所述开关单元电连接，所述开关单元的输出端与所述电压输出模块的输入端电连接。

7.根据权利要求6所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述驱动单元包括电阻R1及二极管D1，所述电阻R1的第一端与所述控制模块的输出端电连接，所述电阻R1的第二端与所述开关单元的输入端电连接，所述二极管D1的阴极与所述电阻R1的第一端电连接，所述二极管D1的阳极与所述电阻R1的第二端电连接。

8.根据权利要求6所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述开关单元包括电阻R2、电容C4及MOS管Q3，所述MOS管Q3的G极与所述驱动单元的输出端电连接，所述MOS管Q3的D极与所述电压输出模块的输入端电连接，所述MOS管Q3的S极与所述控制模块电连接，所述电阻R2的一端与所述MOS管Q3的G极电连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电容C4的两端分别与所述MOS管Q3的D极和S极电连接。

9.根据权利要求1所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述电压输出模块包括变压器T1、二极管D2及电容C6，所述变压器T1的初级与所述开关模块的输出端电连接，所述变压器T1的次级与所述二极管D2的阳极电连接，所述二极管D2的阴极与所述电容C6的一端电连接，所述电容C6的另一端接地。

10.根据权利要求8所述的开关电源的纹波噪声抑制装置，其特征在于，所述开关电源的纹波噪声抑制装置还包括屏蔽铜箔及绝缘垫片，所述屏蔽铜箔用于嵌置于所述MOS管Q3的管体及所述MOS管Q3的散热器之间，并且所述屏蔽铜箔的一侧面贴附于所述MOS管Q3的管体上，所述绝缘垫片设置于所述屏蔽铜箔远离所述MOS管Q3的一侧面上。

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