設(shè)計(jì)開關(guān)電源中使用的二級(jí)輸出濾波器（共6頁pdf下載）ADI工程師之作

ID:422141 · 發(fā)表于 2018-11-7 08:58

開關(guān)電源幾乎用于所有電子設(shè)備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價(jià)值，但是，它們最大的缺點(diǎn)就是高開關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致高輸出噪聲。這個(gè)缺點(diǎn)使它們無法用于以線性穩(wěn)壓器供電為主的高性能模擬電路中。

實(shí)踐證明，在很多應(yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)濾波的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以代替線性穩(wěn)壓器從而產(chǎn)生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應(yīng)用中，上游電源樹的某個(gè)地方也有可能存在開關(guān)電路。因此，有必要設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級(jí)濾波器，來消除開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設(shè)計(jì)如何影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償也很重要。

本文示例電路將采用升壓轉(zhuǎn)換器，但結(jié)果可以直接應(yīng)用于任意DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖1所示為升壓轉(zhuǎn)換器在恒定電流模式(CCM)下的基本波形。

由于電容電荷的變化而導(dǎo)致的開關(guān)紋波(開關(guān)頻率)相比輸出開關(guān)的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠(yuǎn)超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對(duì)噪聲衰減的作用不大。

還有很多各類濾波器適合對(duì)此輸出濾波。本文將解釋每一種濾波器，并給出設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟。文中的公式并不嚴(yán)謹(jǐn)，且做了一些合理的假設(shè)，以便一定程度上簡化這些公式。仍然需要進(jìn)行一些迭代，因?yàn)槊恳粋€(gè)元件都會(huì)影響其它元件的數(shù)值。ADIsimPower設(shè)計(jì)工具利用元件值(比如成本或尺寸)的線性化公式在實(shí)際選擇元件前進(jìn)行優(yōu)化，然后從成千上萬器件的數(shù)據(jù)庫中選出實(shí)際元件后對(duì)其輸出進(jìn)行優(yōu)化，從而避免了這個(gè)問題。但在剛開始進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這種程度的復(fù)雜性是沒有必要的。通過提供的計(jì)算公式，使用SIMPLIS仿真器——比如免費(fèi)的ADIsimPE™——或者在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上花費(fèi)一些時(shí)間，就能以最少的精力得到滿意的設(shè)計(jì)。

開始設(shè)計(jì)濾波器前，考慮一下單級(jí)濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級(jí)濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內(nèi)，并將開關(guān)噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉(zhuǎn)換器噪聲較低，因?yàn)殡娫措姼刑峁┝撕芎玫臑V波能力。這些限制是因?yàn)�，一旦紋波降低至μV級(jí)別，元件寄生和濾波器級(jí)之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級(jí)濾波器。然而，開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓源一般不是噪聲最低的元件，并且常常受到抖動(dòng)噪聲的影響。這些都導(dǎo)致了低頻噪聲(1 Hz至100 kHz)，通常不易濾除。因此，對(duì)于極低噪聲電源而言，使用單個(gè)二級(jí)濾波器然后在輸出端添加一個(gè)LDO可能更合適。

在更詳細(xì)地介紹各類濾波器的設(shè)計(jì)步驟前，部分在設(shè)計(jì)步驟中使用的各類濾波器的數(shù)值定義如下：

對(duì)于較高電流電源而言，將pi濾波器中的電阻以如圖4中的電感代替是有好處的。這種配置提供了極佳的紋波和開關(guān)噪聲抑制能力，并具有較低的功耗。問題在于，我們現(xiàn)在引入了一個(gè)額外的儲(chǔ)能電路，它可能產(chǎn)生諧振。這就有可能導(dǎo)致振蕩，使電源不穩(wěn)定。因此，設(shè)計(jì)該濾波器的第一步是如何選擇阻尼濾波器。圖4顯示了三種可行的阻尼技術(shù)。添加RFILT具有額外成本和尺寸增加較少的優(yōu)勢。阻尼電阻的損耗通常很少(甚至沒有)，哪怕大電源情況下都很小。缺點(diǎn)是，它會(huì)降低電感的并聯(lián)阻抗，從而大幅降低濾波器的有效性。第二種技術(shù)的優(yōu)勢是濾波器性能最大化。如果需要采用全陶瓷設(shè)計(jì)，則RD可以是與陶瓷電容串聯(lián)的分立式電阻。否則需使用具有高ESR且物理尺寸較大的電容。這個(gè)額外的電容(CD)會(huì)大幅增加設(shè)計(jì)的成本和尺寸。阻尼技術(shù)3看上去具有極大的優(yōu)勢，因?yàn)樽枘犭娙軨E添加至輸出端，它可能對(duì)瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波性能有所助益。然而，這種技術(shù)成本最高，因?yàn)樗桦娙輸?shù)量極大。此外，輸出端相對(duì)而言較多的電容會(huì)降低濾波器諧振頻率，進(jìn)而減少轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)的帶寬——因此不建議使用第3種技術(shù)。對(duì)于ADIsimPower設(shè)計(jì)工具來說，我們采用第1種技術(shù)，因?yàn)樗杀据^低，且在自動(dòng)化設(shè)計(jì)步驟中相對(duì)來說較為容易實(shí)現(xiàn)。
需注意的另一個(gè)問題是補(bǔ)償。盡管這可能不符合直覺，但把濾波器放在反饋環(huán)路內(nèi)部幾乎一直都是更好的做法。這是因?yàn)�，將其放在反饋環(huán)路內(nèi)有助于在一定程度上抑制濾波器，消除直流負(fù)載偏移和濾波器的串聯(lián)電阻，同時(shí)能提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)、更低的振鈴。圖5顯示了一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器的波特圖，其在輸出端添加了LC濾波器輸出。

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設(shè)計(jì)開關(guān)電源中使用的二級(jí)輸出濾波器.pdf (1.03 MB, 下載次數(shù): 17)

ID:416240 · 發(fā)表于 2018-11-13 12:16

電源設(shè)計(jì)其實(shí)并不容易，正在學(xué)習(xí)中，學(xué)藝不精有些頭疼，加油，感謝分享啦！

ID:253767 · 發(fā)表于 2018-11-19 07:13

謝謝分享！�。�

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