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谈LED开关电源、工控设备电源、3D打印机电源等电源输出滤波器设计过程(二)

来源:   发布时间:2019-05-20   点击量:1120

谈LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源输出滤波器设计过程(二)


对于LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等的较高电流而言,将pi滤波器中的电阻以电感代替是有好处的。这种配置提供了极佳的纹波和开关噪声抑制能力,并具有较低的功耗。问题在于,我们现在引入了一个额外的储能电路,它可能产生谐振。这就有可能导致振荡,使电源不稳定。因此,设计该滤波器的第一步是如何选择阻尼滤波器。显示了三种可行的阻尼技术。添加具有额外成本和尺寸增加较少的优势。阻尼电阻的损耗通常很少(甚至没有),哪怕大电源情况下都很小。

LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源设计该滤波器的第一步是如何选择阻尼滤波器后的缺点是,它会降低电感的并联阻抗,从而大幅降低滤波器的有效性。第二种技术的优势是滤波器性能最大化。如果需要采用全陶瓷设计,则可以是与陶瓷电容串联的分立式电阻。否则需使用具有高ESR且物理尺寸较大的电容。这个额外的电容会大幅增加设计的成本和尺寸。阻尼技术3看上去具有极大的优势,因为阻尼电容添加至输出端,它可能对瞬态响应和输出纹波性能有所助益。然而,这种技术成本最高,因为所需电容数量极大。此外,输出端相对而言较多的电容会降低滤波器谐振频率,进而减少转换器可实现的带宽——因此不建议使用第3种技术。对于ADIsimPower设计工具来说,我们采用第1种技术,因为它成本较低,且在自动化设计步骤中相对来说较为容易实现。

LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源的采用输出滤波器并突出多种不同阻尼技术的ADP1621
LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等需注意的另一个问题是补偿。尽管这可能不符合直觉,但把滤波器放在反馈环路内部几乎一直都是更好的做法。这是因为,将其放在反馈环路内有助于在一定程度上抑制滤波器,消除直流负载偏移和滤波器的串联电阻,同时能提供更好的瞬态响应、更低的振铃。显示了一个升压转换器的波特图,其在输出端添加了LC滤波器输出。

LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源的输出端带LC滤波器的升压转换器
反馈在滤波器电感之前或之后获取。人们没有想到的是,哪怕滤波器不在反馈环路内部,开环波特图依然存在非常大的变化。由于控制环路无论滤波器是否在反馈环路中都会受影响,因此也应对其进行适当补偿。一般而言,这意味着将目标交越频率向下调整至不超过滤波器谐振频率的五分之一到十分之一。

LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源的的使用并联阻尼电阻的LC滤波器设计步骤
第1步:选择,使其等于输出端没有输出滤波器时的情况。5 mV至20 mV p-p是一个很好的开端。随后可通过公式8计算得出。
第2步:选择电感根据经验,较好的数值范围为0.5 μF至2.2 μF。应按照高自谐振频率(SRF)来选择电感。较大的电感具有较大的SRF,这意味着它们的高频噪声滤波效率较差。较小的电感对纹波的影响没有那么大,需要更多电容。开关频率越高,电感值越小。比较电感值相同的两个电感时,SRF较高的器件具有较低的绕组间电容。绕组间电容用作滤波器周围的短路,作用于高频噪声。
第3步:如前所述,LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源的添加滤波器会影响转换器补偿,具体表现为降低可实现的交越频率(Fu)。根据公式7的计算,对于电流模式转换而言,可实现的最大Fu是开关频率的1/10以下,或者是滤波器的1/5以下。幸运的是,大部分模拟负载不需要太高的瞬态响应。公式计算转换器输出所需的输出电容近似值以提供指定的瞬态电流阶跃。
第4步:利用公式计算阻尼滤波器电阻近似值。这些公式并非绝对精确,但它们是不使用泛代数的最接近的闭式解决方案。ADIsimPower设计工具通过计算转换器在滤波器和电感短路时的开环传递函数(OLTF)从而计算值为猜测值,直到滤波器仅为转换器OLTF以上10 dB时转换器OLTF的峰值(电感短路)。这种技术可用于ADIsimPE等仿真器中,或用于使用频谱分析仪的实验室中。
第5步:现在可以通过公式12至公式15计算得出。a、b、c和d用于简化公式16。
第6步:应重复第3步至第5步,直至计算出满足所需纹波和瞬态规格的优秀阻尼滤波器设计。应注意,这些公式忽略了滤波器电感的直流串联电阻对于较低的电源电流而言,该电阻可能非常大。它通过帮助抑制滤波器而改善了滤波器性能,增加了所需的同时也增加了滤波器阻抗。这两个效应都会极大地改善滤波器性能。因此,以中的少量功耗换来低噪声性能是很划算的,这样可以改善噪声性能。中的内核损耗还有助于衰减部分高频噪声。因此,高电流供电的铁磁芯是一个很好的选择。它们在电流能力相同的情况下尺寸更小、成本更低。当然,ADIsimPower具有滤波器电感电阻值以及两个电容的ESR值,可实现最高精度。
第7步:选择实际的LED开关电源、工控设备电源3D打印机电源等电源的元件来匹配计算值时,注意需对任意陶瓷电容进行降低额定值处理,以便将直流偏置纳入考量中!


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