CN108712067B - 一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路 - Google Patents

一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，属于有源滤波电路技术领域，解决了现有技术中有源功率滤波器存在高频电压纹波的问题。包括信号输入端Vin+、信号输入端Vin‑、稳压电源模块、滤波模块、反馈控制模块、N型功率MOSFET管V1、信号输出端Vo+、信号输出端Vo‑。通过利用N型功率MOSFET管V1的控制输出开关特性，同时配合稳压电路模块、滤波模块、反馈控制模块，共同起到有效抑制高频电压纹波、减少电路损耗的目的。

Description

一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路
技术领域
本发明涉及有源滤波电路技术领域，尤其涉及一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路。
背景技术
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。随着信息技术的发展，电子设备中微处理器、精密传感器等元器件逐渐增多，为了保障这些元器件稳定可靠的工作，要求供电电源输出电压纹波幅值控制在较低水平。而开关电源工作原理涉及功率开关器件切换过程，在输出电源电压上会叠加高频纹波，输出电压纹波幅值较大，无法满足电子设备日益增长的低纹波电源供电的需求。
为了降低输出电压纹波幅值，目前开关电源常采用在输出端增加无源滤波器的方法对电压纹波进行抑制，无源滤波器由电感器、电容器等无源器件组成，考虑到电感器和电容器在频率较高时的寄生参数影响，需要采用体积较大的高频电感器和电容器，这就增加了滤波器的体积和重量，不利于电子设备小型化发展。
另一种降低电源输出电压纹波幅值的方法是在开关电源输出端增加低压差线性稳压器(LDO)，通过低压差线性稳压器对开关电源的输出电压的线性调节使得电源输出电压纹波得到抑制。由于低压线性稳压器的功率管工作在线性区内，需要维持一定的稳态电压差，这就造成了功率损耗较大，效率较低的缺点，因此目前常应用于小功率电子设备中。
为了解决无源滤波器占用较大体积空间的缺点，目前出现采用功率电子器件为主体的有源功率滤波器进行滤波，但目前有源功率滤波器为了提高效率，避免内部功率电子器件的功率损耗较大而发热损坏，常使功率电子器件处于开关工作状态，产生了高频谐波干扰，因此目前有源功率滤波器应用限定在了对开关电源输入电流进行功率因数校正的频率较低的领域，不适用于频率较高的开关电源输出电压纹波抑制应用。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，用以解决现有有源功率滤波器存在高频电压纹波的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，包括信号输入端Vin+、信号输入端Vin-、稳压电源模块、滤波模块、反馈控制模块、N型功率MOSFET管V1、信号输出端Vo+、信号输出端Vo-；
所述信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别连接所述稳压电源模块正输入端、负输入端，所述稳压电源模块正输出端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，所述稳压电源模块负输出端连接N型功率MOSFET管V1的源极；
所述信号输入端Vin+还连接所述滤波模块的输入端，所述滤波模块正输出端连接所述信号输出端Vo+，所述滤波模块的负输出端连接所述信号输出端Vo-，所述N型功率MOSFET管V1的漏极连接所述信号输出端Vo-；
反馈控制模块的一端连接所述N型功率MOSFET管V1的栅极，反馈控制模块的另一端接所述信号输出端Vo-，用于将回路的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极G。
本发明有益效果如下：
本实施例提供的抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，通过利用N型功率MOSFET管V1的控制输出开关特性，同时配合稳压电路模块、滤波模块、反馈控制模块，共同起到有效抑制高频电压纹波、减少电路损耗的目的。
在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：
进一步，所述稳压电源模块包括电阻R1、电容C4和电压调整型二极管V2；
所述电阻R1的一端为所述稳压电源模块正输入端，所述电阻R1的另一端分别与电容C4的一端以及所述电压调整二极管V2的阴极连接，所述电压调整二极管V2的阴极为所述稳压电源模块正输出端；
所述电压调整型二极管V2的阳极为所述稳压电源模块负输入端，所述电压调整二极管V2的阳极与所述电容C4的另一端连接，所述电压调整二极管V2的阳极还为稳压电源模块负输出端。
采用上述进一步方案的有益效果是：该稳压电源模块通过电阻、电容及电压调整型二极管的相互配合，能够保证稳压电源模块输出端电压的稳定。
进一步，所述滤波模块包括电感L1、极性电容C1、电容C2；
所述电感器L1的一端为滤波电路输入端，所述电感器L1的另一端分别与所述极性电容C1的正极、所述电容C2的一端相连接，所述极性电容C1的正极为滤波模块正输出端；
所述极性电容C1的负极和所述电容C2的另一端相连接，所述极性电容C1的负极为滤波模块负输出端。
采用上述进一步方案的有益效果是：通过电感L1、极性电容C1、电容C2组成具有高频抑制功能的滤波模块，有效抑制电路内高频信号。滤波模块中的电感L1两端形成的电压降与功率回路中高频电压纹波进行抵消，从而使得高频电压纹波得到了抑制。
进一步，所述反馈控制模块包括电阻R2和电容C3；
所述电阻R2的一端与电容C3的一端连接；电阻R2的另一端、电容C3的另一端分别作为反馈控制模块的两端。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用上述反馈控制模块，将回路中的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极，调节V1的导通阻抗变化。
进一步，还包括电阻R3，所述稳压模块正输出端通过所述电阻R3与N型功率MOSFET管V1的栅极相连。
采用上述进一步方案的有益效果是：利用电阻R3，可以更进一步调节N型功率MOSFET管V1的栅极电压，防止N型功率MOSFET管V1的栅极电压过高造成的V1损坏。
进一步，还包括电阻R4，所述电阻R4的一端与N型功率MOSFET管V1的栅极连接，所述电阻R4的另一端与N型功率MOSFET管V1的源极连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：电阻R4起N型功率MOSFET管V1的栅极端泄流作用，防止N型功率MOSFET管V1的栅极电压过高造成的V1损坏。
进一步，还包括二极管D1，所述二极管D1的阴极与所述输出端Vo+连接，所述二极管D1的阳极与所述输出端Vo-连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：所述二极管D1在N型功率MOSFET管V1关断瞬间起到续流作用，防止V1漏极出现电压尖峰冲击而发生过压击穿损坏。
进一步，所述信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别用于连接电源的正极、负极，所述信号输出端Vo+、信号输出端Vo-分别用于连接负载用电设备的正极、负极。
采用上述进一步方案的有益效果是：用于实现电源输出电压纹波的抑制。
进一步，根据电源电压、负载用电设备额定电流、N型功率MOSFET管V1的静态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、二极管D1、电容C4及电压调整二极管V2。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据上述方法能够方便选择有源滤波电路中的部分参数，有利于达到更优的抑制高频电压纹波效果。
进一步，将电感L1短路，反馈控制模块断路，信号输入端Vin+、Vin-分别连接电源的正极、负极，信号输出端Vo+、Vo-分别连接负载用电设备的正极、负极，根据N型功率MOSFET管V1的动态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R2、电容C3和电感L1。
采用上述进一步方案的有益效果是：根据上述方法能够方便选择有源滤波电路中的电阻R2、电容C3和电感L1，有利于达到更优的抑制高频电压纹波效果。
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、权利要求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
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。
图1为一个实施例中一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路示意图；
图2为另一个实施例中一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，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。
本发明的一个具体实施例，公开了一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，如图1所示，包括信号输入端Vin+、信号输入端Vin-、稳压电源模块、滤波模块、反馈控制模块、N型功率MOSFET管V1、信号输出端Vo+、信号输出端Vo-；信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别连接稳压电源模块正输入端、负输入端，稳压电源模块正输出端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，稳压电源模块负输出端连接N型功率MOSFET管V1的源极；信号输入端Vin+还连接所述滤波模块输入端，滤波模块正输出端连接所述信号输出端Vo+，滤波模块的负输出端连接所述信号输出端Vo-，N型功率MOSFET管V1的漏极连接信号输出端Vo-；反馈控制模块的一端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，反馈控制模块的另一端连接信号输出端Vo-，用于将回路的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极G。
实施时，将开关电源输出正负极分别与输入端Vin+、Vin-连接，输出端Vo+、Vo-分别接负载用电设备的正负极。高频电压纹波通过反馈控制模块反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极G使得V1的导通阻抗随高频电压纹波发生变化，引起回路中电流值发生相应变化；由于滤波模块中形成的电压降与功率回路中高频电压纹波进行抵消，从而使得高频电压纹波得到了抑制。
与现有技术相比，本实施例提供的抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，通过利用N型功率MOSFET管V1的控制输出开关特性，同时配合稳压电路模块、滤波模块、反馈控制模块，共同起到有效抑制高频电压纹波、减少电路损耗的目的。
优选地，稳压电源模块包括电阻R1、电容C4和电压调整型二极管V2；电阻R1的一端为稳压电源模块正输入端，电阻R1的另一端分别与电容C4的一端以及电压调整二极管V2的阴极连接，电压调整二极管V2的阴极为所述稳压电源模块正输出端；电压调整型二极管V2的阳极为所述稳压电源模块负输入端，电压调整二极管V2的阳极与电容C4的另一端连接，电压调整二极管V2的阳极还为稳压电源模块负输出端。
该稳压电源模块通过电阻、电容及电压调整型二极管的相互配合，能够保证稳压电源模块输出端电压的稳定。
优选地，滤波模块包括电感L1、极性电容C1、电容C2；电感器L1的一端为滤波电路输入端，电感器L1的另一端分别与极性电容C1的正极、电容C2的一端相连接，极性电容C1的正极为滤波模块正输出端；极性电容C1的负极和电容C2的另一端相连接，极性电容C1的负极为滤波模块负输出端。
通过电感L1、极性电容C1、电容C2组成具有高频抑制功能的滤波模块，有效抑制电路内高频信号。滤波模块中的电感L1两端形成的电压降与功率回路中高频电压纹波进行抵消，从而使得高频电压纹波得到了抑制。
优选地，反馈控制模块包括电阻R2和电容C3。
电阻R2的一端与电容C3的一端连接；电阻R2的另一端、电容C3的另一端分别作为反馈控制模块的两端；两端中的一端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，两端中的另一端连接信号输出端Vo-。
利用上述反馈控制模块，将回路中的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极，调节V1的导通阻抗变化。
示例性的，如图2所示，电容C3的另一端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，电阻R2的另一端连接信号输出端Vo-。
本领域技术人员应当能够理解的是，两端调换，电容C3的另一端连接信号输出端Vo-，电阻R2的另一端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，也能应用于本发明技术方案中，并实现将回路中的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极，调节V1的导通阻抗变化的目的。
优选的，还包括电阻R3，稳压模块正输出端通过电阻R3与N型功率MOSFET管V1的栅极相连。
利用电阻R3，可以更进一步调节N型功率MOSFET管V1的栅极电压，防止N型功率MOSFET管V1的栅极电压过高造成的V1损坏。
优选地，还包括电阻R4，电阻R4的一端与N型功率MOSFET管V1的栅极连接，另一端与N型功率MOSFET管V1的源极连接。
电阻R4起N型功率MOSFET管V1的栅极端泄流作用，防止N型功率MOSFET管V1的栅极电压过高造成的V1损坏。
优选地，还包括二极管D1，所述二极管D1的阴极与所述输出端Vo+连接，所述二极管D1的阳极与所述输出端Vo-连接。
所述二极管D1在N型功率MOSFET管V1关断瞬间起到续流作用，防止V1漏极出现电压尖峰冲击而发生过压击穿损坏。
最终得到的有源滤波电路如图2所示。
实施时，信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别用于连接电源的正极、负极，信号输出端Vo+、信号输出端Vo-分别用于连接负载用电设备的正极、负极；实现电源输出电压纹波的抑制。
可选地，根据电源电压、负载用电设备额定电流、N型功率MOSFET管V1的静态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、二极管D1、电容C4及电压调整二极管V2。
根据上述方法能够方便选择有源滤波电路中的部分参数，有利于达到更优的抑制高频电压纹波效果。
优选地，可以将电感L1短路，反馈控制模块断路，信号输入端Vin+、Vin-分别连接电源的正极、负极，信号输出端Vo+、Vo-分别连接负载用电设备的正极、负极，根据N型功率MOSFET管V1的动态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R2、电容C3和电感L1。
根据上述方法能够方便选择有源滤波电路中的电阻R2、电容C3和电感L1，有利于达到更优的抑制高频电压纹波效果。
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。

Claims (4)

1.一种抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，其特征在于：包括信号输入端Vin+、信号输入端Vin-、稳压电源模块、滤波模块、反馈控制模块、N型功率MOSFET管V1、信号输出端Vo+、信号输出端Vo-；
所述信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别连接所述稳压电源模块正输入端、负输入端，所述稳压电源模块正输出端连接N型功率MOSFET管V1的栅极，所述稳压电源模块负输出端连接N型功率MOSFET管V1的源极；
所述信号输入端Vin+还连接所述滤波模块的输入端，所述滤波模块正输出端连接所述信号输出端Vo+，所述滤波模块的负输出端连接所述信号输出端Vo-，所述N型功率MOSFET管V1的漏极连接所述信号输出端Vo-；
反馈控制模块的一端连接所述N型功率MOSFET管V1的栅极，反馈控制模块的另一端接所述信号输出端Vo-，用于将回路的高频电压纹波反馈至N型功率MOSFET管V1的栅极G；
所述滤波模块包括电感L1、极性电容C1、电容C2；
所述电感器L1的一端为滤波电路输入端，所述电感器L1的另一端分别与所述极性电容C1的正极、所述电容C2的一端相连接，所述极性电容C1的正极为滤波模块正输出端；
所述极性电容C1的负极和所述电容C2的另一端相连接，所述极性电容C1的负极为滤波模块负输出端；
所述反馈控制模块包括电阻R2和电容C3；
所述电阻R2的一端与电容C3的一端连接；电阻R2的另一端、电容C3的另一端分别作为反馈控制模块的两端；
所述稳压电源模块包括电阻R1、电容C4和电压调整型二极管V2；
所述电阻R1的一端为所述稳压电源模块正输入端，所述电阻R1的另一端分别与电容C4的一端以及所述电压调整二极管V2的阴极连接，所述电压调整二极管V2的阴极为所述稳压电源模块正输出端；
所述电压调整型二极管V2的阳极为所述稳压电源模块负输入端，所述电压调整二极管V2的阳极与所述电容C4的另一端连接，所述电压调整二极管V2的阳极还为稳压电源模块负输出端；
所述信号输入端Vin+、信号输入端Vin-分别用于连接电源的正极、负极，所述信号输出端Vo+、信号输出端Vo-分别用于连接负载用电设备的正极、负极；
根据电源电压、负载用电设备额定电流、N型功率MOSFET管V1的静态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R1、电阻R3、电阻R4、电容C1、电容C2、二极管D1、电容C4及电压调整二极管V2；
将电感L1短路，反馈控制模块断路，信号输入端Vin+、Vin-分别连接电源的正极、负极，信号输出端Vo+、Vo-分别连接负载用电设备的正极、负极，根据N型功率MOSFET管V1的动态工作点处于可变电阻区的栅源极电压VGS，选择电阻R2、电容C3和电感L1。
2.根据权利要求1所述的抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，其特征在于，还包括电阻R3，所述稳压模块正输出端通过所述电阻R3与N型功率MOSFET管V1的栅极相连。
3.根据权利要求2所述的抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，其特征在于，还包括电阻R4，所述电阻R4的一端与N型功率MOSFET管V1的栅极连接，所述电阻R4的另一端与N型功率MOSFET管V1的源极连接。
4.根据权利要求1所述的抑制开关电源输出高频电压纹波的有源滤波电路，其特征在于，还包括二极管D1，所述二极管D1的阴极与所述输出端Vo+连接，所述二极管D1的阳极与所述输出端Vo-连接。
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