【導(dǎo)讀】本篇文章從濾波在電路中的地位、濾波與拓?fù)涞年P(guān)系等幾點(diǎn),對開關(guān)電源變壓器仿真中的濾波進(jìn)行了較為全面的分析。本篇文章總體來說適合剛接觸電源設(shè)計(jì)的新手閱讀,希望大家在閱讀過后能夠有所收獲。
仿真為電源設(shè)計(jì)者們提供了一種捷徑,讓設(shè)計(jì)者不必將產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)體化就能進(jìn)行測試。這樣做的好處是,節(jié)省了制造成本,且能夠反復(fù)修改。本文將介紹開關(guān)電源當(dāng)中變壓器的仿真的輔助設(shè)計(jì)-濾波,希望大家能夠認(rèn)真閱讀。
輸出PI型濾波器的討論
圖1
圖1中的PI型濾波器,在電源輸出端很常見。這三個(gè)數(shù)值該怎么選擇?
從濾波效果上看,在阻性負(fù)載時(shí),C1=C2效果最好;感性負(fù)載時(shí),需C2>C1;容性負(fù)載則相反,當(dāng)輸出是電源(電池)時(shí),C2可減小到0。不要小看這個(gè)小小的LC濾波,其實(shí)分析起來很復(fù)雜,考慮到輸入前的電感(正激為濾波電感,反激為次級電感的占空比等效),實(shí)際上是個(gè)兩級LC濾波電路。
不過從工程的觀點(diǎn)來看,第一個(gè)濾波電容按正常的算法選取,一個(gè)是紋波電壓考慮,一個(gè)是ESR考慮,最后的結(jié)果基本都是由ESR確定。L1/C2的主要作用是抑制開關(guān)頻率的紋波,選取按如下原則,其轉(zhuǎn)折頻率為開關(guān)頻率的1/4-1/10左右。但有一點(diǎn)需要注意,用431做反饋時(shí),431的供電要在L1的前面取,這樣系統(tǒng)才穩(wěn)定,反饋分壓可以從后面取,得到最好的穩(wěn)壓精度。如果反饋從后面取,由于L1 C2的相移作用,不容易問題。另外L1的值盡量小一些,如1-4.7uH,如果此值大了,明顯輸出電流大時(shí)損耗大。
(輸入輸出)濾波網(wǎng)絡(luò)在電路中的地位
拓?fù)潆姼校ㄗ儔浩鳎┦峭負(fù)湫枰?,濾波電感是紋波需要,只有當(dāng)拓?fù)潆姼胁蛔阋詽M足紋波要求時(shí),才使用濾波電感(增加LC濾波網(wǎng)絡(luò))。
這意味著:
1、如果拓?fù)潆姼袧M足紋波要求,可以不要濾波電路。
2、當(dāng)拓?fù)潆姼胁荒軡M足紋波要求時(shí),才另外單獨(dú)考慮濾波電路。
3、拓?fù)潆姼械闹饕蝿?wù)是應(yīng)對拓?fù)湫枰哪芰哭D(zhuǎn)移,而不是應(yīng)對紋波的。
4、濾波電路的唯一任務(wù)就是濾波。
濾波網(wǎng)絡(luò)與拓?fù)涞年P(guān)系
所有電壓型拓?fù)淇偪梢赃@樣表達(dá):
圖2
其中,輸入電容Cin、輸出電容Cout都的拓?fù)湓试S的,甚至是拓?fù)浔仨毜?。同時(shí),Cin、Cout 也可以理解為拓?fù)浔旧淼?、自帶的濾波電路。虛線內(nèi)的濾波網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在是一個(gè)電容,也就是二端濾波網(wǎng)絡(luò),但是它也可以是三端甚至四端網(wǎng)絡(luò)。
注意:圖中沒有任何電感,拓?fù)涞碾姼校ɑ蛘咦儔浩鳎┰谕負(fù)淠K內(nèi)沒有畫出來。
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輸出濾波網(wǎng)絡(luò)
對于大多數(shù)電壓型拓?fù)涠裕敵龆丝傆幸粋€(gè)電容Cout,而且這個(gè)電容就是濾波的意思。一般情況下,我們總可以通過調(diào)整 Cout 的大小滿足任何需要的紋波要求。
然而在某些情況下,我們無法通過調(diào)整 Cout 的大小獲得需要的輸出紋波,比如:
1、滿足需要的紋波時(shí),需要的 Cout 太大,成本和體積不允許。
2、在接近短路運(yùn)行時(shí)(比如電焊機(jī)或者點(diǎn)焊機(jī)),普通電容的電流指標(biāo)不能滿足要求。
3、某些應(yīng)用不允許太大的 Cout 存在,比如逆變系統(tǒng),太大的 Cout 將導(dǎo)致控制的困難。
4、出于可靠性的考慮,在輸出端不使用電解電容。
5、高精度電源,由于電容ESR的存在,始終達(dá)不到要求的輸出紋波指標(biāo)。
那么應(yīng)該如何解決呢 ?其實(shí)很簡單:
1、找出這個(gè)我們能夠接受的電容;
2、把這個(gè)電容一分為二;
3、中間放一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姼校?/div>
4、調(diào)整這個(gè)電感直到滿足輸出紋波的要求;
圖3
幾點(diǎn)說明:
1、一般電源都是輸出有功功率,即阻性負(fù)載,這時(shí)我們直接取 Co1 = Co2 濾波效果最好。
2、即使負(fù)載有部分感性成分,因?yàn)橐话?Co2 都比較大,其容抗足以應(yīng)付較大的感性負(fù)載沖擊,一般不必考慮加大 Co2 。
3、容性負(fù)載(比如電解電源和充電電源)時(shí),可考慮減小 Co2(即突出 Co1),大幅度減小也沒有關(guān)系。
4、電焊電源可以(應(yīng)該)取消Co2。
5、諧振負(fù)載(比如超聲波電源、感應(yīng)加熱電源)慎用此法。
6、濾波就是濾波,別和拓?fù)淅锩娴碾姼袛囋谝黄?,只有這樣才能達(dá)到最好的效果。
7、除特殊情況外,不建議使用兩極或多級 LC 濾波,在總電容量和總用銅用磁量相當(dāng)?shù)那闆r下,單級濾波紋波效果最好,也不會產(chǎn)生駐波干擾。