[发明专利]一种开关电源功率调制开关浪涌振铃的吸收方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关电源保护装置，具体涉及一种开关电源功率调制开关浪涌振铃的吸收方法和装置。

背景技术

开关电源是通过控制开关开通和关断的时间比率，断续导通源和负载，以调节对负载供电的电源电路，包括为负载提供受控电压、受控电流和受控功率等不同调节方式。在开关电源中通常包括一个对负载和电源连接的功率传送通道进行开闭的功率调制开关，功率调制开关是组成所有开关电源的基本单元。当功率调制开关快速导通一个有物理尺寸的设备的输入电源时，连接在通道中的电感、电容在稳态建立过程中会瞬间出现超出稳定值的电压峰值和电流峰值，即浪涌。功率调制开关本身的传输线都不可避免地存在着引线电阻、引线电感和杂散电容，因此当一个脉冲信号在经过较长的传输线后，极易产生振铃现象，振铃现象导致电路中产生周期性的震荡电流和震荡电压。浪涌振铃以及与其相关的开关电流调制是开关电源高倍频噪声的主要成因，该噪声限制了开关电源的适用范围，而且接触浪涌造成对输入的电压冲击，是潜在的故障诱因。

如图1所示，现有技术中功率调制开关1通常包括分别与内部结合点Ji连接的第一开关SW1和第二开关SW2，第一开关SW1还连接节点K。上一寄生电感L1a和上二寄生电感L1b分别连接在第一开关SW1两端，下一寄生电感L2a和下二寄生电感L2b分别连接在第二开关SW2两端，结合点寄生电感L3一端连接在内部结合点Ji的输出端另一端连接功率调制开关1外部的节点Jo，节点寄生电容Cx连接在内部结合点Ji与接地引脚之间。在功率调制开关1外部的节点K上还连接有外部连接线的寄生电感La、储能电容Ca连接在节点K与接地引脚之间、储能电感Lb连接在节点Jo与接地引脚之间、寄生电容Cb连接在节点Jo与接地引脚之间。其中，第一开关SW1和第二开关SW2为半导体受控开关，半导体受控开关可为金属氧化物半导体三极管、绝缘栅控制双极型三极管和双极型三极管，开关节点外部连接的寄生电容Cb包括可能的自举负载电容。当开关电源的输入端快速导通输入电源时，功率沿ab方向被调制传输，即功率调制开关1断续导通图1中节点K侧的源到节点Jo侧的负载，此时功率调制开关1完成降压功能，反之是升压功能。

开关电源接触形成的浪涌出现在节点K，即接触发生时储能电容Ca通过外部连接线的寄生电感La快速放电，在节点K产生衰减振荡。功率调制开关1内部的浪涌则发生在第一开关SW1或第二开关SW2导通时的内部结合点Ji，寄生电容Cx通过开关以及连线的上一寄生电感L1a、上二寄生电感L1b或者下一寄生电感L2a、下二寄生电感L2b快速放电，在内部结合点Ji产生如图2所示的仿真波形衰减振荡和Jo节点产生如图3所示的实测波形的衰减震荡。其中仿真波形为了产生衰减效果在第一开关SW1通道中串联了500mΩ电阻、与寄生电容Cx并联了500Ω电阻。

为了表述方便，将图1的开关电源进一步简化为如图4所示的模型，参与振铃的能量由电容C和阶跃电压决定。不计电阻r时，较小的电感致使电流浪涌过大，但并不影响参与浪涌振铃的总能量；考虑电阻r时，由于电流越大电阻r上产生的损耗越大，相比较留给产生振铃振荡的能量就越低。电流和电压都可以分解为直流部分和振铃部分，其中直流部分是需要的能量转移，仅振铃部分是有害的电磁干扰。同时，振铃在内部结合点Ji、节点Jo和节点K导致电压或电流冲击，导致器件承担过大应力。现有技术中与输入的电压源连接时出现的机械接触导致的浪涌一般借助外部吸收装置完成，即采用瞬变电压抑制吸收二极管、压敏电阻或者放电气隙吸收浪涌能量；与功率调制开关内部的开关动作关联的振铃可采用临界饱和驱动、开关速率限制等抑制方案。

如图5所示，采用瞬态电压抑制吸收二极管是吸收输入节点K接触浪涌的典型方案，具体是在图4的模型上将易饱和电感Z1串联在干路的电压源一侧，限制接入时电流的上升速度，并将瞬态电压抑制吸收二极管Z2与电容C并联，瞬态电压抑制吸收二极管Z2在超过其额定击穿电压后导通以吸收瞬时浪涌能量。当电容C较大，需要其储能功能时，必须采用易饱和电感Z1和瞬态电压抑制吸收二极管Z2降低电压、电流冲击，电容C仅在高频退耦时起作用。但如图6所示，与所有开关速率限制办法一样，降低开关速率导致开关损耗增加。

发明内容

本发明针对现有技术中现有方法中存在的开关损耗增大、存在调制干扰问题等问题，提出了一种利用开关组合吸收浪涌，降低高倍频噪声，以提高开关电源适用性的开关电源功率调制开关浪涌振铃的吸收方法、振铃吸收装置、浪涌吸收装置，以及使用振铃吸收装置和浪涌吸收装置的功率调制开关。

本发明的技术方案如下：