开关電(diàn)源输出滤波器：设计与仿真

2021-05-26

开关電(diàn)源输出滤波器：设计与仿真

开关電(diàn)源有(yǒu)多(duō)种形式，例如在大功率台式实验室電(diàn)源中，或通过专用(yòng)IC和无源元件嵌入到PCB中。设计这些系统的目的是确保以最小(xiǎo)的噪声将稳定的DC電(diàn)源输送到系统的其余部分(fēn)。衰减来自整流的任何残留纹波的影响或消除输入上的任何噪声也是理(lǐ)想的选择。要保持输出无噪声和稳定，可(kě)能(néng)需要使用(yòng)输出滤波器，该滤波器可(kě)以在PCB布局中使用(yòng)无源器件来实现。

我展示如何使用(yòng)开关電(diàn)源输出滤波器来抑制输出噪声，以及如何使用(yòng)一些仿真工具来优化滤波器设计以降低噪声。降低噪声取决于输出滤波器中的元件值和電(diàn)路中的電(diàn)感器的值。作為(wèi)示例，让我们看一看降压-升压转换器拓扑，以了解如何為(wèi)开关電(diàn)源实现输出滤波器。

开始开关電(diàn)源输出滤波器设计

DC / DC转换器（降压/升压或其他(tā)拓扑）上的输出滤波器是低通滤波器。尽管典型的方法是放置一个pi滤波器以将AC噪声分(fēn)流到地，但这可(kě)以和分(fēn)流電(diàn)容器一样简单。这样做的原因是，开关转换器的功能(néng)是将AC-DC電(diàn)源转换产生的低频纹波转换成开关晶體(tǐ)管产生的高频开关噪声。然后，输出滤波器会消除滤波器输出上的高频开关噪声，从而為(wèi)负载提供干净的直流電(diàn)源。

下图显示了具有(yǒu)功率PMOS晶體(tǐ)管的开关降压-升压转换器原理(lǐ)图（您可(kě)以使用(yòng)NMOS并更改V1和V2极性）。我突出了两个部分(fēn)：开关转换器部分(fēn)（绿色）和输出滤波器部分(fēn)（红色）。在该電(diàn)路中，输出電(diàn)容器是开关電(diàn)源输出滤波器的一部分(fēn)。该滤波器具有(yǒu)标准的pi滤波器拓扑，以提供低通滤波。

降压-升压转换器SMPS原理(lǐ)图，带输出滤波器。

最后，我们在PWM上具有(yǒu)以下参数：100 kHz开关频率，10 ns上升时间，30％占空比。与其关注于给出特定功率输出的PWM或无源值的允许范围，不如关注于使噪声最低的滤波器组件值的范围。

初始功率输出

下图显示了一个瞬态仿真，该仿真显示了電(diàn)容器两端的電(diàn)压（上图）和输送到负载的電(diàn)流（下图）。根据此结果，我们可(kě)以将未过滤的输出（红色曲線(xiàn)，顶部图）与过滤的输出（蓝色曲線(xiàn)，顶部图）进行比较。该滤波器在清除转换器的开关噪声方面做得很(hěn)不错。但是，当转换器从OFF切换到ON时，会有(yǒu)明显的低频瞬态响应。

从上面显示的DC / DC转换器電(diàn)路输出的功率。

这种瞬态响应非常重要。实际上，瞬态过冲取决于PWM占空比和PWM信号的上升时间。在某些情况下，当转换器在两个電(diàn)压状态之间切换时，即在两个PWM频率或占空比之间切换时，过冲可(kě)能(néng)会高达负载電(diàn)流的50％。这可(kě)能(néng)会产生较大的電(diàn)流尖峰，从而可(kě)能(néng)会损坏您的负载。

负载分(fēn)量的值也会影响该電(diàn)路中输出的纹波。在下图中，我展示了当负载電(diàn)阻增加到1 MOhm时会发生什么，这对于模拟CMOS集成電(diàn)路的输入阻抗是一个有(yǒu)用(yòng)的值。从这里，我们可(kě)以看到输出上的真实纹波，这反映在负载電(diàn)流中。

纹波负载為(wèi)1 MOhm。

因此，我们希望衰减来自转换器電(diàn)路的响应，或者重新(xīn)设计滤波器部分(fēn)，以免输出过冲时不会出现这样的问题。一种选择是通过增加一些電(diàn)阻来直接增加一些阻尼。

添加用(yòng)于阻尼的電(diàn)阻

解决瞬态响应不足的问题的一种方法是在電(diàn)容器C1和C2上增加一些阻尼。為(wèi)此，我在電(diàn)容器C1和C2中添加了1 Ohm電(diàn)阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驱动10 Ohm负载。这将使瞬态响应非常接近临界阻尼状态，并在仿真开始时在OFF和ON状态之间提供平稳的过渡。如果更改了PWM参数，则在两个電(diàn)源输出状态之间会发生相同的平滑过渡。但是，如果電(diàn)阻较大，则瞬态响应会变慢。

上面显示的DC / DC转换器電(diàn)路的输出功率，加上阻尼和10欧姆负载。

这样做的一个小(xiǎo)问题是我们损失了少量功率：流向负载的電(diàn)流更少，输出電(diàn)压略低。一些功率在RC部分(fēn)的電(diàn)阻上下降，从而导致一些额外的损耗。尽管電(diàn)流很(hěn)小(xiǎo)，但在输出電(diàn)流上也会有(yǒu)一些轻微的残留噪声。

如果使用(yòng)1 MOhm的负载，我们会得到相同的响应，但是在C1 +（串联電(diàn)阻）网络上的压降中会看到一些初始纹波。这是一个不错的响应，因為(wèi)纹波不会反射到输出，但是仍然有(yǒu)相同的缓慢输出電(diàn)流上升。如果您不需要通过反馈回路进行非常快速的调节，并且想要确保状态之间的平稳传递，则可(kě)以这样做。

上图所示的DC / DC转换器電(diàn)路的输出功率，增加了阻尼，负载為(wèi)1 MOhm。

在继续之前，我认為(wèi)必须注意的是，尽管响应速度要慢得多(duō)，但我们会在约3 ms内辞去预期最终電(diàn)流的〜95％，这仍然是一个相当快的开启时间。只是為(wèi)了进行比较，某些商(shāng)用(yòng)電(diàn)源的额定总接通时间為(wèi)10倍。开启时间可(kě)能(néng)受其他(tā)组件（如PWM驱动器）支配，尤其是在有(yǒu)一个反馈环路提供精确控制的情况下。因此，即使打开时间看起来很(hěn)慢，我们仍能(néng)以足够快的速度运行。

这里的一种选择是在不增加電(diàn)阻的情况下重新(xīn)设计我们的开关電(diàn)源输出滤波電(diàn)路，以产生相似的结果。

更改C1，C2和/或L2

此处的另一种选择是删除電(diàn)阻器并更改C1 / C2和L2。修改C1和C2的问题在于，当您修改临界阻尼的条件时，输出端的最终纹波将受到这些電(diàn)容器的值的影响。产生临界阻尼的条件是一个相当复杂的二次表达式，但是直觉应该在这里清楚：

如果電(diàn)容器的值太低，则高频振荡会产生严重的阻尼不足响应。

如果電(diàn)容器的值太高，我们的响应将非常缓慢，因為(wèi)電(diàn)容器需要很(hěn)長(cháng)时间才能(néng)充電(diàn)到所需的DC電(diàn)平。

您可(kě)能(néng)想知道；我们如何在pi滤波器中产生过冲的瞬态响应？实际上，由于存在多(duō)个電(diàn)抗元件（2个電(diàn)感器和2个電(diàn)容器），我们在组合传递函数中有(yǒu)2个具有(yǒu)多(duō)个极点的LC滤波器。如果仔细观察以上结果，我们可(kě)以看到两个瞬态响应相互叠加。这些是来自L1和C1的开关LC响应（标准的降压-升压转换器响应），以及来自L2，C2和负载電(diàn)阻的典型RLC响应。

一起调节L2和输出電(diàn)容器是获得低输出纹波的另一种方法。在下图中，我在“模拟仪表板”中创建了频率扫描，以便在一系列電(diàn)感值之间移动。在这里，我想限制自己在驱动10 Ohm负载时会在较小(xiǎo)的组件中找到的实际電(diàn)感。為(wèi)了确保我尽可(kě)能(néng)接近临界阻尼，我将遍历C1 = C2和L2的不同值。我从较小(xiǎo)的電(diàn)容（1 uF）开始，然后扫描L2的值直至0.2 mH。对于1 MOhm负载，只需使用(yòng)RLC電(diàn)路中的关键阻尼条件遵循相同的步骤即可(kě)。

事实证明，L2的最佳電(diàn)感值约為(wèi)150-200 uH。有(yǒu)很(hěn)多(duō)線(xiàn)绕電(diàn)感器，其直流電(diàn)流额定值超过〜1.5A。Vishay的IHV30EB150就是一个例子。

一系列L2值和10欧姆负载的功率输出。

过滤策略摘要

我们在这里學(xué)到了什么？我们从这些模拟中获得了一些见解，并可(kě)以从中得出几点建议：

您的滤波器设计在很(hěn)大程度上取决于转换器的输出電(diàn)容器值。如果输出電(diàn)容器太小(xiǎo)，则需要并联一个额外的電(diàn)容器，以使截止频率足够小(xiǎo)以提供噪声过滤。

我们仅研究了输出滤波器，但是将滤波放在输入上通常对于降低总噪声更為(wèi)有(yǒu)效。基本上，这就是使用(yòng)全波整流器上的输出電(diàn)容器进行的操作：您正在尝试将稳定的DC電(diàn)源馈入電(diàn)源的電(diàn)源转换部分(fēn)。

pi滤波器的瞬态响应中有(yǒu)一个过大的现象，可(kě)能(néng)会很(hěn)大。可(kě)以通过将電(diàn)阻与電(diàn)容器C1和C2串联放置或调整L2的值来以通常的方式对此进行阻尼。

添加阻尼时，请确保将所需的電(diàn)阻与所用(yòng)電(diàn)容器的ESR值进行比较。还要注意，您会减慢電(diàn)路的响应速度并牺牲一些功率。

由于瞬态响应期间负载上的電(diàn)流尖峰取决于PWM参数，因此我们也可(kě)以采用(yòng)这种方法来确定允许产生足够低噪声的PWM频率/上升时间范围。

进一步改进

重新(xīn)设计后，要不断改善滤波器响应的最后一种选择是在滤波器之前和之后使用(yòng)RC缓冲器。这将减弱响应并补偿输出電(diàn)流上的纹波。请注意这一点，因為(wèi)这样做可(kě)能(néng)会给滤波電(diàn)路的传递函数增加另一个极点。此外，前后缓冲電(diàn)路可(kě)能(néng)需要不同的電(diàn)容值；输出侧通常使用(yòng)稍大的電(diàn)容器，以确保充分(fēn)减少高频纹波。

完成您的SMPS原理(lǐ)图

在上面的示例中，我们仅显示了SMPS的转换器部分(fēn)，并且还需要其他(tā)重要的電(diàn)路块才能(néng)使SMPS正常工作。SMPS中需要的其他(tā)部分(fēn)取决于最终应用(yòng)程序以及系统中需要什么级别的控制或精度。在上面的示例中，我们没有(yǒu)包括一些其他(tā)必要的功能(néng)：

PWM生成：对于给定的PWM频率，要将输出電(diàn)压设置為(wèi)特定的電(diàn)平，可(kě)以使用(yòng)PWM发生器来确保输出電(diàn)压為(wèi)所需的電(diàn)平。这可(kě)以像VCO電(diàn)路一样简单，也可(kě)以使用(yòng)专用(yòng)的PWM发生器IC。

控制环路：某些電(diàn)源拓扑，例如LLC谐振转换器，将需要一个大電(diàn)流控制环路，在该环路中测量转换器的输出并调整PWM占空比或频率以将電(diàn)压维持在所需的水平。带有(yǒu)基准電(diàn)压的运算放大器是进行此调整的最简单方法，或者可(kě)以通过MCU以数字方式完成。您还可(kě)以使用(yòng)专用(yòng)的控制器芯片。

用(yòng)户界面：系统可(kě)能(néng)需要某种方式来接受用(yòng)户输入，并应用(yòng)达到所需输出電(diàn)压所需的PWM占空比/频率。最简单的方法是在MCU上实现的应用(yòng)程序。

一些電(diàn)源控制器组件将位于控制环路中，测量输出電(diàn)压，并根据通过数字接口（通常為(wèi)I2C）施加并由MCU实施的设置来调整PWM信号。