CN103346666B - 一种低纹波电流输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低纹波电流输出电路，包括续流二极管，其负极接电流源正极、其正极接电流源负极；还包括接于续流二极管正极与负极之间的纹波抵消电路，纹波抵消电路的输出端作为低纹波电流输出电路的输出。本发明的低纹波电流输出电路，在传统的低纹波电流输出电路中加入纹波抵消电路，既能保证稳态性能，又能满足动态性能的要求。

Description

一种低纹波电流输出电路

技术领域

本发明涉及低纹波电流输出电路。

背景技术

低输出电流纹波的开关电流源可用于新能源、计算机、汽车等低压大电流分布式电源系统中，可有效降低因电流纹波引起的高次谐波成分。为满足电流源的输出电流纹波要求，滤波环节的设计极其重要，并且，对整个系统的动态响应及性能具有重要的影响。

传统的降压型电流型开关电源的设计如图1所示，为降低输出电流纹波，通常采用单级或多级滤波器，或采用两相交错方式以实现输出电流相互抵消。图1中，U_in为输入电压，U_out为输出电压，L为输出电感，D为续流二极管。

在低输出电流纹波的实际设计过程中，为满足指标要求，导致计算得到的输出滤波电感L很大，此时整体的动态特性会因L的增大而变慢，从而不能很好的满足负载变化的要求，同时给磁性材料的选择和制作带来诸多问题，如体积增加，成本增加等。为了得到同等或者更好的输出电流效果，有必要针对图1中所示的电路进行改进，在保证动态性能和稳态性能的情况下，减小输出滤波环节的体积和重量。

发明内容

传统的电流型降压电路，为保证输出电流纹波，通常滤波电感较大，稳态性能保证后，动态性能往往很难满足要求，为了解决这一技术问题，本发明提出一种低纹波电流输出电路，包括续流二极管，其负极接电流源正极、其正极接电流源负极；还包括接于续流二极管正极与负极之间的纹波抵消电路，纹波抵消电路的输出端作为低纹波电流输出电路的输出。

进一步的，纹波抵消电路包括储能电容C以及相耦合的电感L₁和电感L₂，电感L₁与电感L₂的同名端相对，电感L₁的一端接续流二极管的负极，电感L₂的一端经过储能电容接于续流二极管正极，电感L₁的另一端和电感L₂的另一端汇接于纹波抵消电路的输出端。

更进一步的，所述低纹波电流输出电路还包括接于续流二极管与电源间的开关装置。

再进一步的，开关装置为开关管。

进一步的，电感L₁与电感L₂均为磁环线圈绕组，两绕组在磁环的两侧分立绕制。

又进一步的，

L₁-M≥T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p，

C≥T*I_p-p/(8*ΔU_{C max})，

ΔU_C= T*I_p-p/(8C)，

L₂-M=T_on*ΔU_C/I_p-p，

其中，M为电感L₁和电感L₂的耦合电感，U_in为低纹波电流输出电路的输入电压，U_out为低纹波电流输出电路的输出电压，I_p-p为电感L₁的电流峰峰值，T为开关装置一个开关周期的时长值，T_on为开关装置在一个开关周期内的导通时间，ΔU_C为储能电容C上电压的纹波大小。

优选的，L₁-M=T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p。

优选的，C=T*I_p-p/(8*ΔU_{C max})。

本发明具的有益效果是：本发明的低纹波电流输出电路，在传统的低纹波电流输出电路中加入纹波抵消电路，既能保证稳态性能，又能满足动态性能的要求。

本发明的低纹波电流输出电路，相比于传统的单一滤波电感L，通过匹配相耦合的电感L₁与电感L₂的匝比以及耦合系数，由于L₁与L₂一般为L的10%左右，能有效减小电感重量，提高电流源整体的动态特性。

通过使用此低纹波输出电路，可以有效减少输出滤波电感的匝数，甚至磁材的大小，从而提高拓扑整体的功率密度；此外，输出滤波电感的减小带来的另一个显著优点是功率拓扑整体动态性能的提高。

并且，按照实际设计原则，可以简单有效的完成电路结构的设计，操作灵活简单，具有较强的实用性。

附图说明

图1为传统的低纹波电流输出电路的电路原理图；

图2为本发明实施例的低纹波电流输出电路的电路原理图；

图3为对图2的电路原理图解耦和后的等效原理图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图2所示，本发明实施例的低纹波电流输出电路，包括续流二极管和接于续流二极管正极与负极之间的纹波抵消电路，续流二极管的负极接电流源正极、其正极接电流源负极，纹波抵消电路的输出端作为低纹波电流输出电路的输出。

如图2所示，纹波抵消电路包括储能电容C以及相耦合的电感L₁和电感L₂，电感L₁与电感L₂的同名端相对，电感L₁的一端接续流二极管的负极，电感L₂的一端经过储能电容接于续流二极管正极，电感L₁的另一端和电感L₂的另一端汇接于纹波抵消电路的输出端。

如图2所示，本实施例的低纹波电流输出电路还包括接于续流二极管与电源间的开关装置，开关装置可选用开关管，譬如MOS管。

具体的，电感L₁与电感L₂均为磁环线圈绕组，两绕组在磁环两侧分立绕制。

本实施例的低纹波电流输出电路除了包括传统的电流型降压电路，还具有储能电容C以及相耦合的电感L₁和电感L₂，电感L₁和电感L₂之间的耦合电感为M，通过控制L₁、L₂、M及C这些参数的值，实现整体输出电流的纹波精度。为保证实际电流输出I_out纹波很小，需满足相应的设计原则，由耦合电感解耦可得到图2对应的等效原理图（如图3），各参数的取值准则如下：

（1）电感L₁的设计准则为在加入抵消支路后，其仍能保证电感（L₁-M）一路电流连续；

（2）储能电容C的设计准则为在纹波抵消支路当中作为电感L₂的储能环节，需保证L₂上的电流连续；

（3）电感L₂的设计准则为在选定储能电容C后，根据基尔霍夫电压定律，假设输出电压纹波为零，则电容上的电压纹波与电感（L₂-M）两端产生的电压相等，由此可计算出（L₂-M）；与此同时，由于一般选用的磁芯饱和特性可以分为软饱和及硬饱和，此处耦合电感所使用的磁芯若想达到在不同工作电流情况下均有较好抵消效果，在磁芯选择上也有相应的注意事项；

综上所述，通过改变L₁，L₂及C的参数值，可以实现降低输出电流纹波，因此它比传统的方式更具灵活性。在实际电路的调试中，只要控制L₁与L₂的匝比关系及耦合系数即可实现不同的电流抵消效果。

具体的，为减小电流源的输出滤波电感，基于输出电流纹波抵消的构思设计电路原理图如图2所示，其等效电流图如图3所示，它的特点是电感L₁与电感L₂为一对耦合电感，电感L₁的值约为如图1所示的传统电流型降压电路的低纹波电流输出电路中滤波电感L的1/10，电感L₂比电感L₁的值更小，最终滤波效果由L₁、L₂、M和C共同决定。

如图3所示，第一步，为保证电感（L₁-M）一路的电流连续，设此时允许的电感L₁电的电流峰峰值为I_p-p，则有：

(L₁-M)_min=T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p，即，L₁-M≥T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p

欲使输出滤波电感尽可能小，电感的取值宜尽可能小，因此，(L₁-M)取(L₁-M)_min为最优值，

其中，U_in为低纹波电流输出电路的输入电压，U_out为低纹波电流输出电路的输出电压，T_on表示开关管一个开关周期内的导通时间。由于是电流源，因此输出电流固定时，若负载端的电阻发生变化（负载电阻的取值范围预先可以确定），输出电压即随之改变，此处要求的是输入与输出电压之差的最大值，即此时的输出电压U_out对应的是输出负载电阻最小的情况，即此时U_out 为U_{out min}。

第二步，储能电容C在纹波抵消电路中的作用是作为电感L₂的储能环节，对于该电容而言，其上的平均电压值U_C= U_out，其上的瞬时电压值u_C=u_L2+u_out，其中，U_out和u_out分别为低纹波电流输出电路输出电压的平均值和瞬时值，u_L2为电感L₂的瞬时电压值；若要保证纹波抵消支路L₂上的电感电流电路，则必须有：

ΔU_{C max}/2≤U_{out min}

其中，ΔU_C表示电容C上电压的纹波大小，

由此式可以推导出储能电容C的最小值C_min=T*I_p-p/(8*ΔU_{C max})，其中，T表示开关管一个开关周期的时长，

根据C≥C_min选定储能电容C的值，即储能电容C只要大于C_min即可。

第三步，根据上述选定的储能电容C的值，使C_min≤C即可，之后，计算出实际选定的C对应的ΔU_C，方法为：

ΔU_C= T*I_p-p/(8C)

在式u_C=u_L2+u_out中，设输出电压纹波为零（为达到减小输出电流纹波的目的，此处假设输出电流纹波为零，电流纹波为零时即有电压纹波为零），则有：

L₂-M=T_on*ΔU_c /I_p-p

经过以上三步计算，可以确定的参数是（L₁-M）、C以及（L₂-M），下一步是进一步确定电感L₁和电感L₂的值。

第四步，当实际绕制电感L₁、L₂的耦合电感时，需要采用两绕组在磁环两侧分立绕制的方法，又因两电感最终电感量较小，因此电感L₁、L₂的耦合系数k基本在0.75左右。假定k=0.75，耦合电感的实际物理特性决定了M²=k²* L₁*L₂，结合以上几个算式，可以列些出关于L₁与M的最终关系式：

L₁-M≥(L₁-M)_min

M²=k²* L₁*(M+T_on*ΔU_C/I_p-p)

在计算以上两式时，若直接取L₁-M=(L₁-M)_min，可以得到L₁的准确数值，此时的L₁是能实现低纹波输出功能所对应的的最小值，由于本发明的目的就是减小输出滤波电感，此时的L₁数值最小，也是相应的最优值。当L₁比L₁可取的最小值略大时，只要满足上式求解出M，此组参数也能达到低纹波输出的效果。在确定L₁与M之后，L₂根据L₂与M的差值也可以确定。在以上参数的计算基础上，可以设计实际应用的耦合电感，当测量实际耦合电感的耦合系数与之前假定值0.75有偏差时，可将L₁、L₂及M带入以上关系式，进行一次迭代计算，对L₁或L₂的电感量微调，即可获得满足要求的耦合电感。

在一个实际的应用中，当电流源输出端的一组参数分别这样取值：L₁=100μH，L₂=59.8μH，M=58μH及C=2.2μF，应用于输出8A的电流源可以达到纹波小于100mA。

如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低纹波电流输出电路，包括续流二极管，其负极接电流源正极、其正极接电流源负极，其特征在于：还包括接于续流二极管与电源间的开关装置以及接于续流二极管正极与负极之间的纹波抵消电路，纹波抵消电路的输出端作为低纹波电流输出电路的输出；其中，所述纹波抵消电路包括储能电容以及相耦合的第一电感和第二电感，第一电感与第二电感的同名端相对，第一电感的一端接续流二极管的负极，第二电感的一端经过所述储能电容接于续流二极管正极，第一电感的另一端和第二电感的另一端汇接于所述纹波抵消电路的输出端，且所述电路满足：

L₁-M≥T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p，

C≥T*I_p-p/(8*ΔU_Cmax)，

ΔU_C＝T*I_p-p/(8C)，

L₂-M＝T_on*ΔU_C/I_p-p，

其中，L₁为第一电感的电感值，L₂为第二电感的电感值，M为第一电感和第二电感的耦合电感，C为储能电容的电容值，U_in为低纹波电流输出电路的输入电压，U_out为低纹波电流输出电路的输出电压，I_p-p为第一电感的电流峰峰值，T为开关装置一个开关周期的时长值，T_on为开关装置在一个开关周期内的导通时间，ΔU_C为储能电容上电压的纹波大小。

2.根据权利要求1所述的低纹波电流输出电路，其特征在于：开关装置为开关管。

3.根据权利要求1所述的低纹波电流输出电路，其特征在于：电感L₁与电感L₂均为磁环线圈绕组，两绕组在磁环的两侧分立绕制。

4.根据权利要求1所述的低纹波电流输出电路，其特征在于：L₁-M＝T_on*(U_in-U_out)_max/I_p-p。

5.根据权利要求4所述的低纹波电流输出电路，其特征在于：C＝T*I_p-p/(8*ΔU_Cmax)。