開(kāi)關(guān)電源輸出濾波器：設計與仿真

2021-05-26

開(kāi)關(guān)電源輸出濾波器：設計與仿真

開(kāi)關(guān)電源有多種形式，例如在大功率臺式實(shí)驗室電源中，或通過(guò)專(zhuān)用IC和無(wú)源元件嵌入到PCB中。設計這些系統的目的是確保以最小的噪聲將穩定的DC電源輸送到系統的其余部分。衰減來(lái)自整流的任何殘留紋波的影響或消除輸入上的任何噪聲也是理想的選擇。要保持輸出無(wú)噪聲和穩定，可能需要使用輸出濾波器，該濾波器可以在PCB布局中使用無(wú)源器件來(lái)實(shí)現。

我展示如何使用開(kāi)關(guān)電源輸出濾波器來(lái)抑制輸出噪聲，以及如何使用一些仿真工具來(lái)優(yōu)化濾波器設計以降低噪聲。降低噪聲取決于輸出濾波器中的元件值和電路中的電感器的值。作為示例，讓我們看一看降壓-升壓轉換器拓撲，以了解如何為開(kāi)關(guān)電源實(shí)現輸出濾波器。

開(kāi)始開(kāi)關(guān)電源輸出濾波器設計

DC / DC轉換器（降壓/升壓或其他拓撲）上的輸出濾波器是低通濾波器。盡管典型的方法是放置一個(gè)pi濾波器以將AC噪聲分流到地，但這可以和分流電容器一樣簡(jiǎn)單。這樣做的原因是，開(kāi)關(guān)轉換器的功能是將AC-DC電源轉換產(chǎn)生的低頻紋波轉換成開(kāi)關(guān)晶體管產(chǎn)生的高頻開(kāi)關(guān)噪聲。然后，輸出濾波器會(huì )消除濾波器輸出上的高頻開(kāi)關(guān)噪聲，從而為負載提供干凈的直流電源。

下圖顯示了具有功率PMOS晶體管的開(kāi)關(guān)降壓-升壓轉換器原理圖（您可以使用NMOS并更改V1和V2極性）。我突出了兩個(gè)部分：開(kāi)關(guān)轉換器部分（綠色）和輸出濾波器部分（紅色）。在該電路中，輸出電容器是開(kāi)關(guān)電源輸出濾波器的一部分。該濾波器具有標準的pi濾波器拓撲，以提供低通濾波。

降壓-升壓轉換器SMPS原理圖，帶輸出濾波器。

最后，我們在PWM上具有以下參數：100 kHz開(kāi)關(guān)頻率，10 ns上升時(shí)間，30％占空比。與其關(guān)注于給出特定功率輸出的PWM或無(wú)源值的允許范圍，不如關(guān)注于使噪聲最低的濾波器組件值的范圍。

初始功率輸出

下圖顯示了一個(gè)瞬態(tài)仿真，該仿真顯示了電容器兩端的電壓（上圖）和輸送到負載的電流（下圖）。根據此結果，我們可以將未過(guò)濾的輸出（紅色曲線(xiàn)，頂部圖）與過(guò)濾的輸出（藍色曲線(xiàn)，頂部圖）進(jìn)行比較。該濾波器在清除轉換器的開(kāi)關(guān)噪聲方面做得很不錯。但是，當轉換器從OFF切換到ON時(shí)，會(huì )有明顯的低頻瞬態(tài)響應。

從上面顯示的DC / DC轉換器電路輸出的功率。

這種瞬態(tài)響應非常重要。實(shí)際上，瞬態(tài)過(guò)沖取決于PWM占空比和PWM信號的上升時(shí)間。在某些情況下，當轉換器在兩個(gè)電壓狀態(tài)之間切換時(shí)，即在兩個(gè)PWM頻率或占空比之間切換時(shí)，過(guò)沖可能會(huì )高達負載電流的50％。這可能會(huì )產(chǎn)生較大的電流尖峰，從而可能會(huì )損壞您的負載。

負載分量的值也會(huì )影響該電路中輸出的紋波。在下圖中，我展示了當負載電阻增加到1 MOhm時(shí)會(huì )發(fā)生什么，這對于模擬CMOS集成電路的輸入阻抗是一個(gè)有用的值。從這里，我們可以看到輸出上的真實(shí)紋波，這反映在負載電流中。

紋波負載為1 MOhm。

因此，我們希望衰減來(lái)自轉換器電路的響應，或者重新設計濾波器部分，以免輸出過(guò)沖時(shí)不會(huì )出現這樣的問(wèn)題。一種選擇是通過(guò)增加一些電阻來(lái)直接增加一些阻尼。

添加用于阻尼的電阻

解決瞬態(tài)響應不足的問(wèn)題的一種方法是在電容器C1和C2上增加一些阻尼。為此，我在電容器C1和C2中添加了1 Ohm電阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驅動(dòng)10 Ohm負載。這將使瞬態(tài)響應非常接近臨界阻尼狀態(tài)，并在仿真開(kāi)始時(shí)在OFF和ON狀態(tài)之間提供平穩的過(guò)渡。如果更改了PWM參數，則在兩個(gè)電源輸出狀態(tài)之間會(huì )發(fā)生相同的平滑過(guò)渡。但是，如果電阻較大，則瞬態(tài)響應會(huì )變慢。

上面顯示的DC / DC轉換器電路的輸出功率，加上阻尼和10歐姆負載。

這樣做的一個(gè)小問(wèn)題是我們損失了少量功率：流向負載的電流更少，輸出電壓略低。一些功率在RC部分的電阻上下降，從而導致一些額外的損耗。盡管電流很小，但在輸出電流上也會(huì )有一些輕微的殘留噪聲。

如果使用1 MOhm的負載，我們會(huì )得到相同的響應，但是在C1 +（串聯(lián)電阻）網(wǎng)絡(luò )上的壓降中會(huì )看到一些初始紋波。這是一個(gè)不錯的響應，因為紋波不會(huì )反射到輸出，但是仍然有相同的緩慢輸出電流上升。如果您不需要通過(guò)反饋回路進(jìn)行非?？焖俚恼{節，并且想要確保狀態(tài)之間的平穩傳遞，則可以這樣做。

上圖所示的DC / DC轉換器電路的輸出功率，增加了阻尼，負載為1 MOhm。

在繼續之前，我認為必須注意的是，盡管響應速度要慢得多，但我們會(huì )在約3 ms內辭去預期最終電流的?95％，這仍然是一個(gè)相當快的開(kāi)啟時(shí)間。只是為了進(jìn)行比較，某些商用電源的額定總接通時(shí)間為10倍。開(kāi)啟時(shí)間可能受其他組件（如PWM驅動(dòng)器）支配，尤其是在有一個(gè)反饋環(huán)路提供精確控制的情況下。因此，即使打開(kāi)時(shí)間看起來(lái)很慢，我們仍能以足夠快的速度運行。

這里的一種選擇是在不增加電阻的情況下重新設計我們的開(kāi)關(guān)電源輸出濾波電路，以產(chǎn)生相似的結果。

更改C1，C2和/或L2

此處的另一種選擇是刪除電阻器并更改C1 / C2和L2。修改C1和C2的問(wèn)題在于，當您修改臨界阻尼的條件時(shí)，輸出端的最終紋波將受到這些電容器的值的影響。產(chǎn)生臨界阻尼的條件是一個(gè)相當復雜的二次表達式，但是直覺(jué)應該在這里清楚：

如果電容器的值太低，則高頻振蕩會(huì )產(chǎn)生嚴重的阻尼不足響應。

如果電容器的值太高，我們的響應將非常緩慢，因為電容器需要很長(cháng)時(shí)間才能充電到所需的DC電平。

您可能想知道；我們如何在pi濾波器中產(chǎn)生過(guò)沖的瞬態(tài)響應？實(shí)際上，由于存在多個(gè)電抗元件（2個(gè)電感器和2個(gè)電容器），我們在組合傳遞函數中有2個(gè)具有多個(gè)極點(diǎn)的LC濾波器。如果仔細觀(guān)察以上結果，我們可以看到兩個(gè)瞬態(tài)響應相互疊加。這些是來(lái)自L1和C1的開(kāi)關(guān)LC響應（標準的降壓-升壓轉換器響應），以及來(lái)自L2，C2和負載電阻的典型RLC響應。

一起調節L2和輸出電容器是獲得低輸出紋波的另一種方法。在下圖中，我在“模擬儀表板”中創(chuàng )建了頻率掃描，以便在一系列電感值之間移動(dòng)。在這里，我想限制自己在驅動(dòng)10 Ohm負載時(shí)會(huì )在較小的組件中找到的實(shí)際電感。為了確保我盡可能接近臨界阻尼，我將遍歷C1 = C2和L2的不同值。我從較小的電容（1 uF）開(kāi)始，然后掃描L2的值直至0.2 mH。對于1 MOhm負載，只需使用RLC電路中的關(guān)鍵阻尼條件遵循相同的步驟即可。

事實(shí)證明，L2的最佳電感值約為150-200 uH。有很多線(xiàn)繞電感器，其直流電流額定值超過(guò)?1.5A。Vishay的IHV30EB150就是一個(gè)例子。

一系列L2值和10歐姆負載的功率輸出。

過(guò)濾策略摘要

我們在這里學(xué)到了什么？我們從這些模擬中獲得了一些見(jiàn)解，并可以從中得出幾點(diǎn)建議：

您的濾波器設計在很大程度上取決于轉換器的輸出電容器值。如果輸出電容器太小，則需要并聯(lián)一個(gè)額外的電容器，以使截止頻率足夠小以提供噪聲過(guò)濾。

我們僅研究了輸出濾波器，但是將濾波放在輸入上通常對于降低總噪聲更為有效?；旧?，這就是使用全波整流器上的輸出電容器進(jìn)行的操作：您正在嘗試將穩定的DC電源饋入電源的電源轉換部分。

pi濾波器的瞬態(tài)響應中有一個(gè)過(guò)大的現象，可能會(huì )很大?？梢酝ㄟ^(guò)將電阻與電容器C1和C2串聯(lián)放置或調整L2的值來(lái)以通常的方式對此進(jìn)行阻尼。

添加阻尼時(shí)，請確保將所需的電阻與所用電容器的ESR值進(jìn)行比較。還要注意，您會(huì )減慢電路的響應速度并犧牲一些功率。

由于瞬態(tài)響應期間負載上的電流尖峰取決于PWM參數，因此我們也可以采用這種方法來(lái)確定允許產(chǎn)生足夠低噪聲的PWM頻率/上升時(shí)間范圍。

進(jìn)一步改進(jìn)

重新設計后，要不斷改善濾波器響應的最后一種選擇是在濾波器之前和之后使用RC緩沖器。這將減弱響應并補償輸出電流上的紋波。請注意這一點(diǎn)，因為這樣做可能會(huì )給濾波電路的傳遞函數增加另一個(gè)極點(diǎn)。此外，前后緩沖電路可能需要不同的電容值；輸出側通常使用稍大的電容器，以確保充分減少高頻紋波。

完成您的SMPS原理圖

在上面的示例中，我們僅顯示了SMPS的轉換器部分，并且還需要其他重要的電路塊才能使SMPS正常工作。SMPS中需要的其他部分取決于最終應用程序以及系統中需要什么級別的控制或精度。在上面的示例中，我們沒(méi)有包括一些其他必要的功能：

PWM生成：對于給定的PWM頻率，要將輸出電壓設置為特定的電平，可以使用PWM發(fā)生器來(lái)確保輸出電壓為所需的電平。這可以像VCO電路一樣簡(jiǎn)單，也可以使用專(zhuān)用的PWM發(fā)生器IC。

控制環(huán)路：某些電源拓撲，例如LLC諧振轉換器，將需要一個(gè)大電流控制環(huán)路，在該環(huán)路中測量轉換器的輸出并調整PWM占空比或頻率以將電壓維持在所需的水平。帶有基準電壓的運算放大器是進(jìn)行此調整的最簡(jiǎn)單方法，或者可以通過(guò)MCU以數字方式完成。您還可以使用專(zhuān)用的控制器芯片。

用戶(hù)界面：系統可能需要某種方式來(lái)接受用戶(hù)輸入，并應用達到所需輸出電壓所需的PWM占空比/頻率。最簡(jiǎn)單的方法是在MCU上實(shí)現的應用程序。

一些電源控制器組件將位于控制環(huán)路中，測量輸出電壓，并根據通過(guò)數字接口（通常為I2C）施加并由MCU實(shí)施的設置來(lái)調整PWM信號。