用于 PCB 設(shè)計(jì)的開關(guān)電源輸出濾波器：設(shè)計(jì)與仿真

開關(guān)電源有多種形式，如大功率臺(tái)式實(shí)驗(yàn)室電源，或通過專用IC和無源元件嵌入PCB中。 這些系統(tǒng)旨在確保以最小的噪音向系統(tǒng)的其余部分提供穩(wěn)定的直流電源。 它也是衰減整流器殘余紋波影響或消除輸入噪聲的理想選擇。 為了保持輸出無噪聲且穩(wěn)定，可能需要使用輸出濾波器，這可以在 PCB 布局中使用無源元件來實(shí)現(xiàn)。

我展示了如何使用開關(guān)電源輸出濾波器來抑制輸出噪聲，以及如何使用一些仿真工具來優(yōu)化濾波器設(shè)計(jì)以降低噪聲。 噪聲降低取決于輸出濾波器中的元件值和電路中的電感值。 作為示例，讓我們看一下降壓升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌粤私馊绾螌?shí)現(xiàn)開關(guān)電源的輸出濾波器。

啟動(dòng)開關(guān)電源輸出濾波器的設(shè)計(jì)

DC/DC 轉(zhuǎn)換器（降壓/升壓或其他拓?fù)洌┥系妮敵鰹V波器是低通濾波器。 雖然典型的方法是放置一個(gè) pi 濾波器將交流噪聲轉(zhuǎn)移到地，但這可以像并聯(lián)電容器一樣簡(jiǎn)單。 其原因在于，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的作用是將AC-DC電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的低頻紋波轉(zhuǎn)換為開關(guān)晶體管產(chǎn)生的高頻開關(guān)噪聲。 然后，輸出濾波器將消除濾波器輸出上的高頻開關(guān)噪聲，從而為負(fù)載提供干凈的直流電源。

最后，我們得到以下 PWM 參數(shù)：100 kHz 開關(guān)頻率、10 ns 上升時(shí)間、30% 占空比。 不要關(guān)注可提供特定功率輸出的 PWM 或無源值的允許范圍，而應(yīng)關(guān)注可最大限度降低噪聲的濾波器元件值的范圍。

初始功率輸出

事實(shí)上，瞬態(tài)過沖取決于 PWM 占空比和 PWM 信號(hào)的上升時(shí)間。 在某些情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)換器在兩種電壓狀態(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)，過沖可能高達(dá)負(fù)載電流的 50%。 這可能會(huì)產(chǎn)生大電流尖峰，從而損壞您的負(fù)載。

負(fù)載元件的值也會(huì)影響電路中的輸出紋波。 在下圖中，我展示了當(dāng)負(fù)載電阻增加到 1 MOhm 時(shí)會(huì)發(fā)生什么，這對(duì)于模擬 CMOS 集成電路輸入阻抗來說是一個(gè)有用的值。 從這里，我們可以看到輸出上的真實(shí)紋波，它反映在負(fù)載電流中。

紋波負(fù)載為 1 MOhm。因此，我們希望衰減轉(zhuǎn)換器電路的響應(yīng)，或者重新設(shè)計(jì)濾波器部分，以避免出現(xiàn)輸出過沖時(shí)出現(xiàn)此類問題。 一種選擇是通過添加一些阻力來直接添加一些阻尼。

添加阻尼阻力

解決瞬態(tài)響應(yīng)不足問題的一種方法是在電容器C1和C2上添加一些阻尼。 為此，我向電容器 C1 和 C2 添加了 1 歐姆電阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驅(qū)動(dòng) 10 歐姆負(fù)載。 這將使瞬態(tài)響應(yīng)非常接近臨界阻尼狀態(tài)，并在仿真開始時(shí)提供關(guān)閉和開啟狀態(tài)之間的平滑過渡。 如果改變 PWM 參數(shù)，兩個(gè)電源輸出狀態(tài)之間也會(huì)發(fā)生同樣的平滑轉(zhuǎn)換。 然而，如果電阻較高，瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)較慢。

這樣做的一個(gè)小問題是我們損失了少量的功率：流向負(fù)載的電流更少，并且輸出電壓略低。 一些功率會(huì)落在 RC 部分的電阻上，從而導(dǎo)致一些額外的損耗。 雖然電流很小，但輸出電流上會(huì)有一些輕微的殘留噪聲。

如果我們使用 1 MOhm 的負(fù)載，我們將得到相同的響應(yīng)，但我們會(huì)在 C1+（串聯(lián)電阻）網(wǎng)絡(luò)上的電壓降中看到一些初始紋波。 這是一個(gè)很好的響應(yīng)，因?yàn)榧y波不會(huì)反映到輸出，但仍然存在相同的緩慢輸出電流上升。 如果您不需要通過反饋循環(huán)非?？焖俚卣{(diào)整，并且希望確保狀態(tài)之間的平滑轉(zhuǎn)移，則可以這樣做。

在繼續(xù)之前，我認(rèn)為必須注意的是，雖然響應(yīng)速度慢得多，但我們將在大約 3 ms 內(nèi)退出~預(yù)期最終電流的 95%，這仍然是相當(dāng)快的開啟時(shí)間。 僅出于比較目的，某些商用電源的額定總接通時(shí)間為 10 倍。 導(dǎo)通時(shí)間可能由其他組件（例如 PWM 驅(qū)動(dòng)器）主導(dǎo)，特別是在反饋環(huán)路提供精確控制的情況下。 所以即使開放時(shí)間看起來很慢，我們?nèi)匀豢梢耘艿米銐蚩臁?br/>

這里的一種選擇是重新設(shè)計(jì)我們的開關(guān)電源輸出濾波器電路，而不增加電阻以產(chǎn)生類似的結(jié)果。

更改 C1、C2 和/或 L2

這里的另一個(gè)選擇是刪除電阻并更改 C1/C2 和 L2。 修改 C1 和 C2 的問題在于，當(dāng)修改臨界阻尼條件時(shí)，輸出端的最終紋波將受到這些電容器值的影響。 產(chǎn)生臨界阻尼的條件是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的二次表達(dá)式，但直覺應(yīng)該很清楚：

如果電容值太低，高頻振蕩會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻尼響應(yīng)不足。

如果電容值太高，我們的響應(yīng)會(huì)非常慢，因?yàn)殡娙菪枰荛L(zhǎng)時(shí)間才能充電到所需的直流電平。

您可能想知道； 我們?nèi)绾卧?pi 濾波器中生成過沖瞬態(tài)響應(yīng)？ 事實(shí)上，因?yàn)橛卸鄠€(gè)電抗元件（2 個(gè)電感器和 2 個(gè)電容器），所以我們?cè)诮M合傳遞函數(shù)中有 2 個(gè)具有多個(gè)極點(diǎn)的 LC 濾波器。 如果我們仔細(xì)觀察上面的結(jié)果，我們可以看到兩個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)是相互疊加的。 這些是來自 L1 和 C1（標(biāo)準(zhǔn)降壓升壓轉(zhuǎn)換器響應(yīng)）的開關(guān) LC 響應(yīng)，以及來自 L2、C2 和負(fù)載電阻器的典型 RLC 響應(yīng)。

同時(shí)調(diào)整 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，以在一系列電感值之間移動(dòng)。 在這里，我想限制驅(qū)動(dòng) 10 歐姆負(fù)載時(shí)在較小元件中發(fā)現(xiàn)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。 我從一個(gè)小電容 (1 uF) 開始，然后將 L2 的值掃描到 0.2 mH。 對(duì)于 1 MOhm 負(fù)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。

經(jīng)證明，L2的最佳電感值約為150-200uH。 有許多繞線電感器的直流額定電流超過?1.5A。 Vishay 的 IHV30EB150 就是一個(gè)例子。

L2 值的范圍和 10 歐姆負(fù)載的功率輸出。

過濾策略摘要

我們?cè)谶@里學(xué)到了什么？ 我們從這些模擬中獲得了一些見解，并可以從中得出一些建議：

您的濾波器設(shè)計(jì)很大程度上取決于轉(zhuǎn)換器的輸出電容器值。 如果輸出電容太小，則需要并聯(lián)一個(gè)額外的電容，使截止頻率足夠小，以提供噪聲濾除。

我們只研究輸出濾波器，但將濾波器放在輸入上通常對(duì)于降低總噪聲更有效。 基本上，這就是您對(duì)全波整流器上的輸出電容器所做的事情：您試圖將穩(wěn)定的直流電源饋入電源的功率轉(zhuǎn)換部分。

pi濾波器的瞬態(tài)響應(yīng)存在過大的現(xiàn)象，可能很大。 這可以通過將電阻與電容器 C1 和 C2 串聯(lián)或調(diào)整 L2 的值以通常的方式來阻尼。

添加阻尼時(shí)，請(qǐng)務(wù)必將所需電阻與所用電容器的 ESR 值進(jìn)行比較。 另請(qǐng)注意，您將減慢電路的響應(yīng)速度并犧牲一些功率。

由于瞬態(tài)響應(yīng)期間負(fù)載上的電流尖峰取決于 PWM 參數(shù)，因此我們還可以使用此方法來確定允許足夠低噪聲的 PWM 頻率/上升時(shí)間范圍。

進(jìn)一步改進(jìn)。

重新設(shè)計(jì)后，持續(xù)改善濾波器響應(yīng)的最后一個(gè)選擇是在濾波器前后使用 RC 緩沖器。 這將減弱響應(yīng)并補(bǔ)償輸出電流的紋波。 請(qǐng)注意這一點(diǎn)，因?yàn)檫@樣做可能會(huì)在濾波器電路的傳遞函數(shù)中添加另一個(gè)極點(diǎn)。 另外，前后緩沖電路可能需要不同的電容值； 輸出側(cè)通常使用稍大的電容，以確保充分降低高電壓