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2019-02-27

多种开关电源输出滤波器技术逐步骤的设计过程解析



实践证明,在很多应用中,经过适当滤波的开关电源转换器可以代替线性稳压器从而产生低噪声电源。哪怕在要求极低噪声电源的苛刻应用中,上游电源树的某个地方也有可能存在开关电路。因此,有必要设计经过优化和阻尼处理的多级滤波器,来消除开关电源转换器的输出噪声。此外,了解滤波器设计如何影响开关电源转换器的补偿也很重要。
最近,开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是,它们最大的缺点就是高开关瞬态导致高输出噪声。这个缺点使它们无法用于以线性稳压器供电为主的高性能模拟电路中。
本文示例电路将采用升压转换器,但结果可以直接应用于任意DC-DC转换器。1所示为升压转换器在恒定电流模式下的基本波形。

  1. 升压转换器的基本电压和电流波形
输出滤波器对升压拓扑或其它任何带有断续电流模式的拓扑之所以重要,是因为它在开关B内电流具有快速上升和下降时间。这会导致激励开关、布局和输出电容中的寄生电感。其结果是,在实际使用中,输出波形看上去更像2而非1,哪怕布局布线良好并且使用陶瓷输出电容。

  2. DCM中升压转换器的典型测量波形
由于电容电荷的变化而导致的开关纹波相比输出开关的无阻尼振铃而言非常小,下文称为输出噪声。ETA电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小,电流和电压是否稳定,将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。一般而言,此输出噪声范围为10 MHz至100 MHz以上,远超出大部分陶瓷输出电容的自谐振频率。因此,添加额外的电容对噪声衰减的作用不大。
还有很多各类滤波器适合对此输出滤波。本文将解释每一种滤波器,并给出设计的每一个步骤。文中的公式并不严谨,且做了一些合理的假设,以便一定程度上简化这些公式。仍然需要进行一些迭代,因为每一个元件都会影响其它元件的数值。ADIsimPower设计工具利用元件值的线性化公式在实际选择元件前进行优化,然后从成千上万器件的数据库中选出实际元件后对其输出进行优化,从而避免了这个问题。但在刚开始进行设计时,这种程度的复杂性是没有必要的。通过提供的计算公式,使用SIMPLIS仿真器——比如免费的ADIsimPE™——或者在实验室工作台上花费一些时间,就能以最少的精力得到满意的设计。
开始设计滤波器前,考虑一下单级滤波器RC或LC滤波器可以做什么。通常采用二级滤波器可以合理地将纹波抑制到几百μV p-p范围内,并将开关噪声抑制在1 mV p-p 以下。降压转换器噪声较低,因为电源电感提供了很好的滤波能力。这些限制是因为,一旦纹波降低至μV级别,元件寄生和滤波器级之间的噪声耦合便开始成为限制因素。如果使用噪声更低的电源,则需添加三级滤波器。然而,开关电源的基准电压源一般不是噪声最低的元件,并且常常受到抖动噪声的影响。这些都导致了低频噪声,通常不易滤除。因此,对于极低噪声电源而言,使用单个二级滤波器然后在输出端添加一个LDO可能更合适。
在更详细地介绍各类滤波器的设计步骤前,部分在设计步骤中使用的各类滤波器的数值定义如下:
进入输出滤波器的峰峰值电流近似值。为方便计算,假定是正弦信号。数值取决于拓扑。对于降压转换器而言,它是电感中的峰峰值电流。对于升压转换器而言,它是开关B中的峰值电流。
转换器开关频率处的输出电压纹波近似值。
所选输出电容的ESR。
开关电源转换器开关频率。ETA电源是向电子设备提供功率的装置,也称电源供应器,它提供计算机中所有部件所需要的电能。电源功率的大小,电流和电压是否稳定,将直接影响计算机的工作性能和使用寿命。
输出电容的计算中,假定所有流入其中。

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