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BUCk电路开关电源纹波的抑制方法

中心议题:

Buck电路开关电源纹波的定义 Buck电路产生纹波的机理及计算 影响纹波的因素分析及抑制措施解决方案:

考虑开关频率、L和C的取值 降低ESR开关电源具有效率高、输出电压可调范围大、损耗小、体积小、重量轻等特点,得到了广泛的应用。由于开关电源体积小,输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大,如何降低纹波含量成为开关电源应用及制造技术中的一个关键技术难点。本文通过对Buck电路的分析,找出对纹波的产生有影响的因素及改善的措施。

1 纹波的定义

Buck类型开关电源的拓扑结构如图1所示。



通常情况下,开关电源首先把电网电压全波整流变为直流电,经高频开关变换由变压器降压,经高频二极管整流滤波后,得到稳定的直流电压输出。其自身含有大量的谐波干扰,同时由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰都形成了电磁干扰源,这些尖峰就是输出纹波。输出纹波主要来源于4个方面:低频纹波、高频纹波、共模纹波、功率器件开关过程中产生的超高频谐振等。

2 Buck电路产生纹波的机理及计算

2.1 纹波电流计算
电感的定义:

λ为线圈磁链;N为线圈匝数;i为流经线圈的电流;Φ为线圈磁通。如果式(1)两端以时间t为变量进行微分计算,可得:

这便是大家所熟知的电感电压降回路方程。

现在假设对于每个单独的开关周期,在开关管导通状态和关断状态,输入输出电压都基本没有变化,可以写出导通状态和关断状态时的L两端的电压。

导通状态L两端的电压:

关断状态L两端的电压:

Vsat为开关管的导通压降;VF为二极管的导通压降。

由于Vsat和VF相对于Vi和Vo很小,这里忽略不计,可以得到:

可以看出Von和Voff都是常数,即对于,不论在导通状态还是在关断状态都有:

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BUCk变换器的EMC分析

中心议题:

Buck系统的电磁干扰 Buck系统电磁干扰的抑制措施解决方案:

Buck系统的滤波、接地、吸收和PCB布板分析和设计
开关电源通过改变开关器件的导通比来有效地控制输出电压和电流的大小。通常它在几十kHz以上的开关频率下工作,当开关导通时,它将流过浪涌电流Cdv/dt;当开关断开时,其两端将会产生浪涌电压Ldi/dt,形成较强的电磁骚扰源。随着半导体开关器件的不断发展,开关频率将提高到MHz数量级,使电磁骚扰更加严重。因此,必须采用相应的措施,加强开关电源的电磁兼容性(EMC)。

电磁兼容性是指在不损失有用信号所包含信息的条件下,信息和干扰共存的能力。电力电子装置在其使用环境下,承受来自外部电磁干扰的同时也向周围环境释放干扰。在设计制造电力电子装置时,应考虑到电力电子装置在工作时所产生的电磁骚扰不对在同一环境中工作的其它电子设备的运行产生不良影响,同时来自外部环境的电磁干扰又不会影响电力电子装置的工作。

1    Buck系统的电磁干扰

以下结合Buck变换器来具体讨论电磁干扰产生的原因和条件,从而找出抑制和消除的方法。图1是Buck变换器的原理结构图。


图1    Buck原理结构图

主电路主要由功率开关管S、肖特基二极管D、滤波电容C、电感L、阻性负载Ro以及无感采样电阻RL组成。此电路的基本参数是输入端为36V铅酸蓄电池,输出要求为10A恒流,开关频率为50kHz。控制芯片采用SG3525,驱动芯片采用TLP250。辅助电源采用反激。主电路选择合适的闭环参数是重要的一步,合适的闭环参数可以使电路稳定,产生较小的EMD。

图2是该系统的电磁兼容性示意图,结合此图分析系统所处的电磁环境及其相互作用的情况。显然,电磁干扰既可发生在系统内部,又有可能发生在系统之间。


图2    系统的电磁兼容性示意图

从图2中可以看出,任何一种EMI均由三部分组成:骚扰源、耦合路径和受扰体。骚扰源产生的干扰经耦合途径进入受扰体,若干扰水平超出受扰体的敏感程度就会影响其正常工作而构成干扰。与数字电路相比,由于开关电源功率开关管的高速开关动作,它产生的干扰强度较大;骚扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的高频变压器上;开关频率不高,主要干扰形式是传导干扰和近场干扰。一般解决EMD针对3方面:抑制骚扰源、切断干扰途径和提高受扰体的抗干扰能力。

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有源纹波补偿BUCK型LED驱动电路设计

中心议题:有源纹波补偿BUCK电路 有源纹波补偿的实现 有源纹波补偿LED驱动电路仿真与分析

解决方案:纹波电流检测 纹波补偿实现 输出电流计算

传统BUCK 电路采用LC 滤波,电路稳态工作时,输出电压由微小的纹波和较大的直流分量组成。当驱动LED 时,纹波电压将引起较大的LED 纹波电流。增大滤波电容可减小LED 的纹波电流。但是,电容容量的增大,导致电源体积和重量增加,影响电源的小型化和集成化,更重要的是,电解电容成为限制LED 驱动电源寿命的主要因素。在LED 照明应用环境下,电解电容的寿命不超过10 000 h,与LED 的长寿命( 100 000 h 左右) 难以匹配。文献分析了开关电源的平均无故障时间,指出电解电容的性能直接决定了电路的可靠性,在设计电源驱动器的时候应该有针对性地减少电解电容的使用。电解电容的有效工作寿命在很大程度上取决于环境温度以及通过等效串联阻抗的纹波电流导致的温升。温度过高致使电解电容电解质逐渐耗尽,使得其性能下降。

本文提出一种有源纹波补偿BUCK 型LED 驱动电路。该电路无需使用大容量电解电容,所需要的小容量电容可以采用能量密度较小的新型长寿命电容,利用有源补偿技术抑制输出纹波电流。由于取消电解电容的使用,可以使电路寿命增长,稳定性提高,便于集成,电路易小型化。

一、有源纹波补偿BUCK 电路

电路如图1 所示。电路结构以BUCK电路为主,取消电解电容滤波,用辅助线性电路对电感纹波电流进行补偿。图中由开关管V、电感L、LED 灯组、续流二极管VD 组成主电路; 晶体管VT 为辅助补偿电路。

图1 有源纹波补偿BUCK 电路拓扑图

设主电路电感电流iL和晶体管VT 的集电极电流iC分别为:

式中,IL和IC分别是电感电流和的集电极电流的直流分量; ir和ic分别为它们的交流分量( 纹波电流) 。

当ic = - ir时,输出电流为:

通过LED 的电流iO为恒定直流,如图2 所示,实现了对电感纹波电流的全补偿。

式中,Ip和IPP分别是电感电流的上峰值和电感纹波电流的峰峰值。

图2 电感电流补偿示意图

LED 灯组为n 个大功率LED 串联连接,UO =nUF为LED 灯组压降; UF为单个LED 的导通压降。

晶体管VT 的损耗为:

在保证晶体管VT 的集射电压大于其饱和压降( VCE≥VCES) 的条件下,调整占空比D ( 如D 取值范围为85% ~ 95%) ,可使集射电压足够小。同时,控制集电极瞬时电流iC的最小值近似为零,则IC最小。因此,晶体管VT 的损耗为最小,可提高驱动电源的效率。

二、纹波补偿的实现

1. 纹波电流检测

根据电感元件的电压与电流关系:

可以通过观测电感两端的电压来检测纹波电流,如图3 所示。图3 中检测电路由运算放大器A1、电阻R 及电容C 组成差分积分电路。假设各元器件均为理想元器件则:

即:

图3 纹波电流检测补偿原理图

uo1( t) 是与电感纹波电流成正比的函数,比例系数为:

A1采用单电源供电,uo1≥0,在纹波电流为正峰值时uo1 = 0 有:

式中:

所以:

2. 纹波补偿实现

由于电源电压Ud可能因外界因素波动,所以由A2组成减法电路消除因Ud变化引起的iC变化,根据电路可知:

式中,UDZ为二极管压降,其值等于PNP 晶体管VT 的射极E 与基极B 之间的压降。电路选择参数使uo1 = 0 时晶体管VT 处于微导通状态,iC≈0,晶体管VT 的补偿电流为:

将uo1代入iC:

设定比例系数为:

若选择电路元器件参数使得k = 1,则iC = - ir,实现了电感纹波电流的全补偿。

3. 输出电流计算

当k = 1 时,晶体管T 补偿电流为

电感电流为:

所以电路输出电流为:

因此,通过LED 的电流为直流,其值为IP。

三、仿真与分析

1. 仿真参数设置

采用PSIM 软件对所提出的纹波补偿电路进行仿真实验,根据以上分析,仿真参数设置如下表所示。

表1 仿真参数设置表

LED 采用欧司朗半导体照明公司生产的额定功率PW = 5 W 的大功率LED, 型号为LC—WW5AP,其导通压降为3. 0 ~ 3. 6 V,典型驱动电流为1. 4 A,灯组采用三个大功率LED 串联连接。

单个LED 仿真模型如图4 所示,其中VD 为理想二极管,VDZ为理想单向击穿二极管,RLED为LED等效串联阻抗。仿真中设定单向击穿二极管VDZ两端电压为: UD = 3. 0 V,设定等效串联阻抗为: RLED = 0. 35 Ω。

图4 大功率LED 模型图控制电路采用传统峰值电流控制,设定参考电压Ur = 10. 5 V; 电压采样系数ku = 0. 8; 电流采样系数为ki = 1; 误差放大器放大倍数设为1; 时钟频率fs = 200 kHz; 占空比为0. 1。该电路占空比D > 0. 5,需要斜坡补偿。根据斜坡补偿原则:所选定斜坡上升斜率m>-m2/2,其中m2为电感电流下降斜率。选定锯齿波幅值为0. 8 V、频率为200 kHz。

根据以上参数设置可得到电感上峰值电流为IP = 1. 4 A,输出电压UO = 10. 5 V。仿真电路图如图5 所示。

图5 仿真电路图

2. 仿真分析

电感电流波形如图6 所示,根据图6 可以看出电感电流上峰值为IP = 1. 4 A,验证了控制电路参数设置的正确性。电感纹波电流峰峰值为IPP =0. 14 A,可得电感电流直流分量为IL = 1. 33 A。

若电路不采用纹波补偿电路,则通过LED 电流为电感电流,纹波电流峰峰值为0. 14 A,使得LED发光不稳定。根据补偿电流波形可以看出其上峰值为0. 14 A,所以可以得到直流分量为IC = 0. 07A。对比iL波形和iC波形可以看出ic = - ir。通过LED 的电流为iO = IL + IC = IP = 1. 4 A,为恒定直流,补偿电流将电感纹波电流完全补偿,验证了结论的正确性。

图6 完全补偿波形图

四、结束语

本文针对电解电容体积大,影响电路整体布局,不利于电路集成和小型化且其寿命难以与LED 长寿命相匹配等问题,提出采用有源补偿电路对电感纹波电流进行补偿的方法。该电路取消电解电容滤波,采用线性晶体管补偿电感纹波电流,方法简单、易于实现,而且补偿效果好,输出电流恒定。仿真结果证实了该拓扑结构的有效性。

CSR1010/CSR1011/CSR1012蓝牙模块:CSR101x ProdUCt Family蓝牙模块

CSR101X系列是针对车载于2013年上市的三款新品,主要有CSR1010、CSR1011和CSR1012三个型号。

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Memory size*

(code & data)

Digital IO

Package

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CSR1010 (A05)

128Kbytes

12

32 lead 5x5x0.6mm QFN 0.5mm pitch


Heart rate, cycle sensor, use with existing host micro

CSR1011 (A05)

128Kbytes

32

56 lead 8x8x0.9mm QFN 0.5mm pitch


Keyboard, remote control, advanced mouse

CSR1012 (A05)

128Kbytes

12

32 lead 4x4x0.65mm QFN 0.4mm pitch

 

Small form factor and Li-poly powered products


LUCky Tag:智能运动追踪+定位

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在过去数十年,人们一直使用机械键盘和电脑交互,101touch键盘有可能改变全世界使用电脑的方式。以后,用101键盘就可以编辑视频,处理音频或者玩游戏。

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转载请注明作者和来源。

UC发布新款智能硬件游戏手柄:小旗手柄

颖特新消息,昨日UC推出了首款智能硬件产品——小旗手柄。经常玩手机游戏的用户应该都了解,通过触摸屏来操控游戏肯定不如手柄来的方便,小旗手柄支持蓝牙、OTG和USB三种连接方式,并且兼容MTK,所以用户不必再为MTK平台的蓝牙兼容性问题担忧。只要你有一部Android手机,就可以实现即连即用。


在硬件配置方面,小旗手柄采用了32位ARM处理器,内置2400毫安电池,支持USB HOST扩展接口、云配置、云分享,并且支持固件在线更新。在操作系统层面,小旗手柄仅支持Android平台,这也就意味着你仅可以通过它玩Android手机或者平板上的游戏。

今天,小旗手柄通过其独立的官方网站首次发售,价格为99元。不过,目前官网上的信息显示产品已经卖完,而UC的工作人员也表示目前正在努力供货,至于下次的开售时间,现在还不清楚。

从小旗手柄的官网形式来看,无论是“F码”抢购,还是“为操控而生”的口号都很容易让人联想到小米,而至于UC为何会选择做这么一款硬件产品,PingWest品玩将会联系小旗手柄的产品负责人做进一步的解读。

盘点那些已经开卖的智能运动服装

颖特新整理,都说2014年是可穿戴设备之年,在这一年,大量的智能手表、活动追踪器和智能传感器纷纷与消费者见面。而在进入2015年之后,可穿戴设备又开始朝着更进一步的方向发展。没错,那就是内置传感器的智能服装。


到目前为止,在市面上已经出现了不少比较实用的可穿戴智能服装,包括内置生物识别技术的T恤、胸罩和专业运动服装。而在2015年剩下的时间里,智能服装领域将进入到完全以生物识别技术为主的阶段。

现在我们就为大家搜集了市面上已经存在的一些最好的智能服装类产品,它们不仅可以告诉你应该如何锻炼,还能帮助我们保持身体健康。

Athos


由于2015年将会成为智能服装的大舞台,因此Athos推出了全新的智能运动衣和短裤。Athos的产品内置了大量的传感器,可以检测使用者的心率、呼吸频率,甚至是EMG传感器带来的肌肉活动情况。

Athos智能服装包含了一枚Athos Core小芯片和多个传感器,可以通过蓝牙将数据发送到智能手机中。这个小装置的重量只有不到20克,并且可以连续使用超过10个小时。除了发送信息之外,Athos还可以通过内置的六轴加速度计测量运动锻炼情况。

Athos目前已经受到了不少专业运动员的青睐,他们用来进行监测肌肉锻炼、记录心率变化,可以起到比较准确的记录功能。

目前Athos智能运动服装的核心装置售价199美元(约合人民币1245元),同时短裤和T恤的售价分别为99美元(约合人民币620元),因此整套Athos的售价达到了298美元(约合人民币1860元)。

维多利亚的秘密心率监测文胸


著名品牌维多利亚的秘密日前推出了一款集成心率带功能的运动文胸Incredible,它和传统运动文胸最大的不同就是下方多了一根心率“带”。不过遗憾的是,这条带子上只有心率检测触点,并没有心率检测模块。因此想要使用心率检测功能的话,需要额外购买心率检测模块挂在文胸正面两个固定扣上。

该文胸的售价为75美元(约合人民币470元),尺码从32到40有多种罩杯可选。

Radiate热感应变色T恤


Radiate是一款能够帮助运动者监测身体特定部位或肌肉群的训练情况的运动T恤。人在运动时体内新陈代谢、血液流动及肌肉膨胀的程度会不断产生变化,继而使人体散发出不同的热量。Radiate就像一面贴身热能镜,能即时感应运动者身体各个部位所散发的热量,并通过颜色的变化来传递信息,让运动者随时了解到自己的肌肉及血管得到的锻炼情况。

不仅仅是及时反馈,这件 T 恤还有其他运动服装的功能,包括局部散热、吸汗等。T 恤据称使用了最新的材质,触感如丝质,但是兼具弹力和耐用。

目前第二代Radiate 2.0的售价男性和女性版本分别为60美元(约合人民币375元)和50美元(约合人民币310元)。

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Facebook将推虚拟现实应用 更强氛围体验

颖特新快讯,Facebook收购Oculus VR这一举动或许很多人都没搞懂,看了下面的新闻,想必大家就都明白了。最近Facebook产品负责人Chris Cox表示,Facebook有意打造虚拟现实版Facebook应用。

Facebook虚拟现实

虽然Cox并未透露有关该计划的具体细节,但是他表示现在以照片、视频、文字为媒介的分享方式已经无法让人们充分分享感受。而在未来有了虚拟现实设备助阵,人们将可以“设身处地”地分享周围的环境,比如第一人称视角体验战机翱翔,或者随朋友视角一起感受旅行和冒险,而这将彻底改变人们交流的方式。正如收购Oculus后Facebook创始人Mark Zuckerberg在公开信中所说的那样,Oculus身临其境的游戏体验只是开始,它将为人们创造一个全新的沟通平台。