開(kāi)關(guān)電源濾波器設計

2021-07-22

開(kāi)關(guān)電源濾波器設計

在有效濾波方面，開(kāi)關(guān)電源給設計人員帶來(lái)了挑戰。首先，濾波器必須防止輸入電源線(xiàn)上的噪聲通過(guò)電源傳導到輸出端。其次，濾波器必須防止開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的噪聲出現在輸出端。第三，濾波器必須防止開(kāi)關(guān)電路的噪聲通過(guò)電源傳導回輸入電源線(xiàn)。因此，開(kāi)關(guān)模式電源提出了最多的問(wèn)題，也是最考驗設計人員在電源濾波器設計方面的技能。

無(wú)源 RC 濾波器

可用的最基本的濾波器是 RC 濾波器。它適用于成本和組件尺寸受到重大限制的低功耗解決方案。然而，LC 濾波器將提供相當大的優(yōu)勢，限制了 RC 濾波器在性能和效率方面的使用。

無(wú)源 LC 濾波器

無(wú)源 LC 濾波器可以在相對簡(jiǎn)單的解決方案中實(shí)現輸入濾波所需的結果。設計人員可以權衡性能與組件尺寸和成本，以創(chuàng )建最佳解決方案。

電源電壓和開(kāi)關(guān)電源輸入之間串聯(lián)的電感器與開(kāi)關(guān)電源輸入兩端的電容器組合將用作無(wú)阻尼低通濾波器。元件值將決定濾波器的截止頻率和阻尼系數，阻尼系數決定截止頻率處的衰減特性。因此，設計人員需要確保選擇的值使得不良的阻尼系數不會(huì )導致開(kāi)關(guān)電路控制環(huán)路內的振蕩。一個(gè)好的經(jīng)驗法則是將最小阻尼系數設為 1/√2。

阻尼 LC 濾波器

在第一個(gè)主濾波電容器之后立即在開(kāi)關(guān)電源的輸入端添加一個(gè)與電阻串聯(lián)的第二個(gè)電容器將改變?yōu)V波器，使其充當并聯(lián)阻尼低通濾波器。只要電阻器和第二個(gè)電容器的元件值選擇正確，電阻器就會(huì )降低濾波器在截止頻率處的峰值阻抗，而不會(huì )影響截止頻率。在諧振頻率下，第二個(gè)電容器的阻抗必須低于電阻器，但明顯大于主濾波電容器。

并聯(lián)阻尼低通濾波器的另一種選擇是串聯(lián)阻尼低通濾波器。這里，代替第二個(gè)電容器，與電阻器串聯(lián)的第二個(gè)電感器放置在第一個(gè)初級濾波電感器兩端。在這種情況下，在諧振頻率下，第二個(gè)電感器的阻抗必須低于電阻器。并聯(lián)阻尼低通濾波器相對于串聯(lián)阻尼低通濾波器的優(yōu)勢在于它在高頻下具有明顯更好的性能，使其更適合開(kāi)關(guān)電源。

復合 LC 濾波器

設計人員的一個(gè)缺點(diǎn)是 LC 濾波器通常需要相當大的組件，這些組件可能難以安裝在電路板上。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是組合多個(gè) LC 濾波器。例如，從無(wú)阻尼低通濾波器饋入并聯(lián)阻尼低通濾波器創(chuàng )建復合濾波器將增加組件數量，但需要更小的組件值，因此需要更小的組件。它還允許設計人員通過(guò)使用仿真工具優(yōu)化值來(lái)調整更多因素來(lái)調整濾波器性能。

有源濾波器

在性能要求決定的情況下，有源濾波器可以帶來(lái)顯著(zhù)的好處，但代價(jià)是增加設計復雜性以及組件成本、占位面積和數量。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，有源濾波器將提供除濾波功能之外的功率增益，通常使用運算放大器或“運算放大器”。通過(guò)串聯(lián)電阻進(jìn)入運算放大器的輸入信號加上通過(guò)與電容器并聯(lián)的電阻路由的反饋將形成有源低通濾波器。有源濾波的優(yōu)勢在于它在負載變化的情況下提供出色的輸出電壓調節。然而，缺點(diǎn)是有源濾波器在高頻方面有局限性，這在開(kāi)關(guān)電源中很常見(jiàn)。這個(gè)缺點(diǎn)限制了它們在該應用中的用途。

元件選擇

電容器是開(kāi)關(guān)電源濾波器中的關(guān)鍵組件，其性能可以決定任何濾波器設計的有效性。因此，選擇正確類(lèi)型的濾波器至關(guān)重要，尤其是等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL)，直接影響濾波器響應特性。

陶瓷電容器在開(kāi)關(guān)電源應用中提供最佳的一般性能。此外，它們具有最低的 ESR 和 ESL，可產(chǎn)生最佳的紋波降低效果。它們在整個(gè)生命周期內提供最穩定的性能，并具有廣泛的溫度額定值。它們還具有廣泛的包裝形式。然而，它們的結構使它們最容易受到物理沖擊和振動(dòng)的損壞，這可能是一個(gè)設計因素。

薄膜電容器在具有高電流要求的開(kāi)關(guān)電源應用中提供最佳性能，同時(shí)仍然相對低成本和小尺寸。然而，它們的 ESR 和 ESL 高于等效的陶瓷電容器，并且它們對過(guò)壓條件的耐受性較差。

鋁電解電容器成本低且體積小，這使其成為設計人員最受歡迎的電容器類(lèi)型。但是，它們具有相對較高的 ESR，這會(huì )顯著(zhù)影響高頻性能。此外，它們的性能和電容會(huì )隨著(zhù)組件的使用壽命而顯著(zhù)降低。

一般而言，鉭電容器的性能優(yōu)于鋁電解電容器，但單位成本更高。然而，它們不適合高頻或高壓應用，限制了它們在開(kāi)關(guān)電源中的使用。