开关电源输入滤波器设计

1、开关电源输入滤波器设计作者：Michele Sclocchi Application Engineer, National Semiconductor对于所有的工程师来讲，第一次设计开关电源，总是认为是一门魔术。幸运地是当今市场上提供了各种工具来帮助设计师们。美国国家半导体公司首家提供“Simple Switcher”软件和在线仿真工具，得以进行开关电源的设计和仿真。新型超快 MOSFET 和同步高开关频率 PWM 控制器，允许实现高效和更小尺寸的开关电源。如果输入滤波器设计不当，所有这些优点都可能丧失。超大尺寸的输入滤波器会不必要地增加造价、体积，并危及系统的总体性能。本文阐述了如何选择和设

2、计开关电源用的最佳化的输入滤波器。 开关电源的输入滤波器有两个作用。一是防止电磁干扰，该干扰由开关源产生，并传递到电源线路，从而影响到其它设备。输入滤波器的第二个作用是防止电源线路上的高频电压馈通到电源输出端。无源LC滤波器方案所具有的特性达到了上述两个滤波要求。设计输入滤波器的目的就是是在滤波器的总体性能和尺寸造价之间达到最好的折衷。 无阻尼LC滤波器 第一个简单的无源滤波器方案是图所示无阻尼 LC 无源滤波器。理想情况下, 在截止频率 f0 后,阶滤波器提供12dB每倍频程的衰减, 对 f0之前的频率没有增益，在谐振频率处呈现一个峰值。截止频率Hz (谐振频率)图无阻尼 LC 滤波器图 不

3、同阻尼系数的L-C 滤波器的传递函数在设计一个阶滤波器时所包含的一个关键因数是在转折频率 f0处的衰减特性。靠近截止频率的增益可能非常大，在那段频率的噪声会被放大。为了对这个问题的本质有更好的理解，必须分析滤波器的传递函数:这个传递函数可以通过频率表达式（弧度）重新写成为：； 截止频率（弧度）； 阻尼系数。传递函数呈现两个负极点：。阻尼系数 描述在转折频率处的增益。对应 1，两个极点都是复数，虚部给出在谐振频率处的峰值特点。随着阻尼因数变小，转折频率处的增益变大，对于零阻尼的理想极限，增益将变为无穷大，但实际元件的内阻限制了最大增益。当阻尼因数等于时，虚部分量为零，不存在峰值。不良的输入滤波器

4、阻尼因数可能会对系统的总体性能有负面的影响。它可能影响反馈控制环路的传递函数，引起在电源输出端有某种振荡。Middlebrook的特别元定理（extra element theorem）2指出，如果输入滤波器的输出阻抗曲线远低于变换器的输入阻抗曲线，输入滤波器不会显著改变变换器的环路增益。换言之，为了避免振荡，重要的是要保持滤波器的峰值输出阻抗在变换器输入阻抗之下（见图）。从设计观点来说，滤波器尺寸和性能之间的一个良好的折衷是在最小阻尼因数为1/2时获得的，在转折频率处它提供3 dB的衰减，有利于控制最终控制系统的稳定性。 图3：输入滤波器的输出阻抗，开关电源的输入阻抗：两条曲线应很好的分离并

5、联阻尼滤波器: 在大多数情况下图所示的无阻尼阶滤波器并不容易满足阻尼要求，因此，提出了阻尼方案。 图4示出一个阻尼滤波器，由一个电阻 Rd 和一个电容 Cd 串联，然后与滤波器的电容器 Cf 并联。电阻 Rd 的作用是降低滤波器在截止频率处的峰值阻抗。电容器 Cd 阻断输入电压的直流分量，避免在 Rd 上的功率损耗。图：并联阻尼滤波器 在谐振频率处，电容器 Cd 应具有比 Rd 更低的阻抗，应比滤波电容器有更大的容量，以便不影响主 RL 滤波器的截止点。滤波器的输出阻抗可根据三个阻抗Z1, Z2, Z3进行计算出：传递函数是：式中 Zeq2.3 是 Z2 同 Z3 的并联。这个传递函数呈现一个

6、零点和三个极点，其中，零点和第一个极点相互紧靠，位于频率 1/RdCd处。另两个主导极点坐落于截止频率 =1/LC处。没有折衷时结果为式中。忽略零点后该公式可近似为一个阶滤波器：(对于高于 1/Rd Cd 的那些频率，项(1+Rd Cd s) Rd Cd s ) 。并联阻尼滤波器的近似公式与无阻尼滤波器的传递函数相同；唯一的不同是阻尼因数为 要用 Rd 电阻来进行计算。业已证实，对于一个并联阻尼滤波器，在阻尼因数等于：时，峰值被最小化，将上述两个方程式组合，最佳阻尼电阻值 Rd 等于：这里，阻断电容器 Cd 等于滤波器电容器 C 的倍。图 5 和图 6 分别示出并联阻尼滤波器的输出阻抗和传递函

7、数。图并联阻尼滤波器的输出阻抗图并联阻尼滤波器的传递函数串联阻尼滤波器: 获得阻尼滤波器的另一种方法是用一个电阻 Rd 同电感 Ld 串联，然后再同滤波器电感 L 并联(图7)。在截止频率处，电阻 Rd 具有一个比 Ld 的阻抗要高的电阻值。图7串联阻尼滤波器 这个滤波器输出阻抗和传递函数可以用与并联阻尼滤波器相同的方法进行计算：式中d = nL根据串联阻尼滤波器的近似传递函数，阻尼因数可以计算出：在阻尼因数为下值时，峰值被最小化：最佳阻尼电阻为：在2/15时。这个阻尼滤波器的缺点是高频衰减被降低了(见图 10 )。多节滤波器： 大多数时间，多节滤波器以较小的体积和造价使得在高频时有较高的衰减

8、，因为如果增加单一元件数量，会允许使用较小的电感值和电容值 (图8) 。图8 双节输入滤波器 输出阻抗和传递函数可根据各块阻抗的组合来计算： 图和图 10 示出串联阻尼滤波器的输出阻抗和传递函数同无阻尼滤波器的相比较。这个两级滤波器用下述比值进行了优化： 该滤波器对峰值提供 80dB 的衰减，滤波器输出阻抗低于2。开关电源抵制了低于反馈控制环路交越频率以下的那些频率的噪声，而较高频率的噪声则应由输入滤波器来抵制。为了能够用一个小方案满足前向滤波要求，输入滤波器所具有的转折频率大约要在反馈环路带宽的一个倍频程以下。图串联阻尼滤波器、两级阻尼滤波器的输出阻抗图10 串联阻尼滤波器、两级阻尼滤波器的

9、传递函数电容器和电感器选择：影响滤波器最终性能的另一个重要问题是正确选择电容器和电感器。为了滤除纹波电流，应选用有脉动电流能力的具有低的 ESL 和低的 ESR 的高频衰减电容器。最常用的电容器是铝电解电容器。为了得到低的 ESR 和 ESL ，可以将输出电容器分离成不同的较小的电容器并联放置，以达到相同的总容量。滤波电感器应当设计成尽可能多地降低寄生电容，输入和输出引线尽可能远地分开，优先选择单层或堆绕。 在美国国家半导体公司网站，, 人们可以找到设计一个完整开关电源方案所需要的全部信息和工具。在这个网站，有数据单，应用笔记，选择指南，和 WEBENCH 电源设计软件。参考文献： Rudolf P. Severns, Gordon E. Bloom “Modern DC to DC switchmode power converter circuits”. R.D. Middlebrook, “Design Techniques for preventing Input Filter Oscillations in Switched-Mode Regulators”. Robert W. Erickson “Optimal Single Resistor Damping of Input Filters”. H. Dean Venable “Minimizing Inp