開關電源電路中拓撲電感的Saber仿真輔助設計
一、（輸入輸出）濾波網絡在電路中的地位
拓撲電(dian)感(gan)（變壓(ya)器(qi)）是拓撲需(xu)要(yao)，濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)是紋波(bo)需(xu)要(yao)，只有當拓撲電(dian)感(gan)不足以滿足紋波(bo)要(yao)求時，才(cai)使用濾(lv)波(bo)電(dian)感(gan)（增加LC濾(lv)波(bo)網(wang)絡(luo)）。
這意味著：
1、如果拓撲電感滿足紋波(bo)要(yao)求(qiu)，可以不要(yao)濾波(bo)電路(lu)。
2、當拓撲電感不能滿(man)足紋波(bo)要求時，才另外單獨考慮濾波(bo)電路。
3、拓撲(pu)(pu)電感的主要(yao)(yao)任務是應(ying)對(dui)拓撲(pu)(pu)需要(yao)(yao)的能(neng)量轉(zhuan)移，而不是應(ying)對(dui)紋波(bo)的。
4、濾波(bo)電路(lu)的(de)唯一任務就(jiu)是濾波(bo)，不干別的(de)。
二、濾波(bo)網絡(luo)與(yu)拓撲的關系
所有(you)電(dian)壓型拓撲(pu)總可以這樣(yang)表達(da)：
其(qi)中，輸入電容Cin、輸出(chu)電容Cout都(dou)的(de)拓撲(pu)(pu)允許(xu)的(de)，甚至(zhi)是拓撲(pu)(pu)必(bi)須的(de)。
同時，Cin、Cout也可以理解為拓撲本(ben)身的、自帶(dai)的濾波(bo)電路。
這(zhe)里，虛線內(nei)的濾波網(wang)(wang)絡現(xian)在是一個電容，也就是二(er)端濾波網(wang)(wang)絡，但是它也可以(yi)是三端甚(shen)至四端網(wang)(wang)絡。
注意：圖中沒有(you)任何電感(gan)(gan)，拓(tuo)撲的電感(gan)(gan)（或者變壓器(qi)）在拓(tuo)撲模塊(kuai)內沒有(you)畫出來。三、輸出濾波網絡
對于大多數電壓型(xing)拓撲而(er)言，輸出(chu)端總有一個電容(rong)Cout，而(er)且(qie)這個電容(rong)就是(shi)濾波的(de)意思。
一(yi)般情(qing)況下，我(wo)們總可以通過(guo)調整Cout的(de)(de)大小滿(man)足任何需(xu)要(yao)的(de)(de)紋波要(yao)求。
然而(er)在某些情(qing)況(kuang)下，我們無(wu)法(fa)通過(guo)調整(zheng)Cout的大小獲得需要的輸出紋波，比如：
1、滿足需(xu)(xu)要的紋波時(shi)，需(xu)(xu)要的Cout太(tai)大，成本(ben)和(he)體(ti)積(ji)不(bu)允(yun)許。
2、在接近短路運行時（比如電焊(han)(han)機或者點焊(han)(han)機），普通電容的(de)電流指標不能(neng)滿足要(yao)求。
3、某些應用不允許太大(da)的Cout存在，比如逆變(bian)系統，太大(da)的Cout將導致控制的困難。
4、出于可靠性(xing)的考慮，在(zai)輸出端不使用電解電容。
5、高精度電源，由于電容ESR的存在，始終(zhong)達不到要(yao)求的輸(shu)出(chu)紋波(bo)指(zhi)標。
怎么辦呢？
其實很簡單(dan)：
1、找出能夠接受的電容
2、把這(zhe)個電容(rong)一分為二
3、中間放一個適(shi)當的電感(gan)
4、調整這(zhe)個電感(gan)直到滿足輸出紋波的要求。
幾點(dian)說(shuo)明：
1、一(yi)般電源都是輸(shu)出有功功率，即阻(zu)性負(fu)載，這時我們直接(jie)取Co1 = Co2濾波效果最好。
2、即使(shi)負載(zai)有(you)部(bu)分感性成分，因為一般(ban)Co2都比較大(da)，其(qi)容抗足以應(ying)付較大(da)的感性負載(zai)沖擊(ji)，一般(ban)不必考慮加大(da)Co2.
3、容性負(fu)載（比如電(dian)(dian)解電(dian)(dian)源(yuan)和充電(dian)(dian)電(dian)(dian)源(yuan)）時，可(ke)考慮減小Co2（即突(tu)出Co1），大幅度減小也沒有關(guan)系。
4、電焊電源可以（應該）取消(xiao)Co2.
5、諧(xie)振負載（比如超聲波(bo)電源、感應加熱(re)電源）慎用(yong)此法。
6、濾波(bo)就是濾波(bo)，別和拓撲(pu)里面的(de)電感攪在一起，只有這(zhe)樣才能達到最好的(de)效果。
7、除特殊情況外，不建議使用兩極或多級(ji)LC濾(lv)波(bo)，在總(zong)電容量(liang)(liang)和總(zong)用銅用磁量(liang)(liang)相(xiang)當的(de)情況下，單級(ji)濾(lv)波(bo)紋波(bo)效果(guo)最(zui)好，也(ye)不會產生駐波(bo)干擾(rao)。四、設計舉(ju)例（典型）輸(shu)出濾(lv)波(bo)
將就上(shang)一(yi)貼的50KHz、100W（120W）反激電(dian)源為(wei)例，當前紋波指標為(wei)30mV.
現在要求達到2mV的紋波精度。
方法一：加大輸出濾波電(dian)容：
將現(xian)用濾波電容C2的2200uF增加15倍，即(ji)33mF，輸出紋波則對應(ying)降低15倍（沒考慮ESR），即(ji)等于2mV.
如果覺得33mF25V的海量電解不好找，或者不合算，那(nei)么：
方(fang)法二：增加一級(ji)LC濾波(bo)：
當(dang)Co1 = Co2 = 470uF時，配(pei)合一個5A 1.3uH的(de)電感，輸出（與PWM同頻(pin)的(de)）紋(wen)波即可下降到1.6mV以下。或者(zhe)：
當Co1 = Co2 = 330uF時(shi)，配合(he)一(yi)個5A 2.2uH的(de)電感，輸(shu)出紋波即可下降到2.0 mV左右。可見，即使增加一(yi)點點LC濾波。對輸(shu)出紋波、成本、體積的(de)改善(shan)都是非常顯著的(de)。
再(zai)來看這個濾波電感的工況：
電(dian)流的(de)直流成分5.0A，交流成分0.1A左右，大約(yue)只占2%.
; 也就是說，這個電感(gan)基本上就是個直流偏電感(gan)，交流成(cheng)分(fen)甚微。這意(yi)味著可以不(bu)必(bi)使用高級材料，也不(bu)考慮(lv)集(ji)膚效應，用普通鐵(tie)粉芯(xin)磁環(huan)單股繞制即可。
下面是這個電(dian)感的(de)設計參(can)數(shu)：
小結
在輸出端(duan)增(zeng)加LC濾波(bo)(bo)網絡是很簡單的事情，只要將濾波(bo)(bo)電(dian)容一分為二、（隨便）插入(ru)一個電(dian)感就能使（不插入(ru)電(dian)感等效(xiao)(xiao)于(yu)原電(dian)路）濾波(bo)(bo)效(xiao)(xiao)果顯著(zhu)提升，而且(qie)效(xiao)(xiao)果總是比單電(dian)容濾波(bo)(bo)效(xiao)(xiao)果好。因此：
1、工程師(shi)應(ying)該隨(sui)時想到：“我(wo)那個濾波電(dian)容(rong)是(shi)不(bu)是(shi)應(ying)該分成二個，中(zhong)間插個小(xiao)工字(zi)？”而且不(bu)用算，肯定比單(dan)電(dian)容(rong)好(hao)。
2、此法在(zai)同等情況下(xia)提高(gao)濾波效(xiao)果，或者在(zai)同等濾波效(xiao)果下(xia)降低成(cheng)本、縮(suo)小體積，甚至縮(suo)小PCB面積。
3、既(ji)然不增加成本（甚至降低成本）就能夠實現(xian)，因此在拓撲(pu)里面(mian)（的(de)電(dian)感上(shang)或(huo)者控制模(mo)式上(shang)）去打主意減少紋波就是(shi)一件既(ji)費力又(you)不討好(hao)的(de)事(shi)情(qing)，什么“某某拓撲(pu)、某某模(mo)式紋波大(da)”的(de)問(wen)題也不再應是(shi)問(wen)題。
| 【上一個】 開關電源電磁干擾源分析 | 【下一個】 一種用于高速ADC的采樣保持電源電路的設計 |
| ^ 開關電源電路中拓撲電感的Saber仿真輔助設計 |