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(wǎng)絡在電路中的地位

拓撲電感(變壓器)是拓撲需要，濾波電感是紋波需要，只有當拓撲電感不足以滿足紋波要求時，才使用濾波電感(增加LC濾波網(wǎng)絡)。

這意味著：

1、如果拓撲電感滿足紋波要求，可以不要濾波電路。

2、當拓撲電感不能滿足紋波要求時，才另外單獨考慮濾波電路。

3、拓撲電感的主要任務是應對拓撲需要的能量轉(zhuǎn)移，而不是應對紋波的。

4、濾波電路的唯一任務就是濾波，不干別的。

二、濾波網(wǎng)絡與拓撲的關系

所有電壓型拓撲總可以這樣表達：

其中，輸入電容Cin、輸出電容Cout都的拓撲允許的，甚至是拓撲必須的。

同時，Cin、Cout也可以理解為拓撲本身的、自帶的濾波電路。

這里，虛線內(nèi)的濾波網(wǎng)絡現(xiàn)在是一個電容，也就是二端濾波網(wǎng)絡，但是它也可以是三端甚至四端網(wǎng)絡。

注意：圖中沒有任何電感，拓撲的電感(或者變壓器)在拓撲模塊內(nèi)沒有畫出來。三、輸出濾波網(wǎng)絡

對于大多數(shù)電壓型拓撲而言，輸出端總有一個電容Cout，而且這個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，需要的Cout太大，成本和體積不允許。

2、在接近短路運行時(比如電焊機或者點焊機)，普通電容的電流指標不能滿足要求。

3、某些應用不允許太大的Cout存在，比如逆變系統(tǒng)，太大的Cout將導致控制的困難。

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，始終達不到要求的輸出紋波指標。

怎么辦呢?

其實很簡單：

1、找出能夠接受的電容

2、把這個電容一分為二

3、中間放一個適當?shù)碾姼?/p>

4、調(diào)整這個電感直到滿足輸出紋波的要求。

幾點說明：

1、一般電源都是輸出有功功率，即阻性負載，這時我們直接取Co1 = Co2濾波效果最好。

2、即使負載有部分感性成分，因為一般Co2都比較大，其容抗足以應付較大的感性負載沖擊，一般不必考慮加大Co2.

3、容性負載(比如電解電源和充電電源)時，可考慮減小Co2(即突出Co1)，大幅度減小也沒有關系。

4、電焊電源可以(應該)取消Co2.

5、諧振負載(比如超聲波電源、感應加熱電源)慎用此法。

6、濾波就是濾波，別和拓撲里面的電感攪在一起，只有這樣才能達到最好的效果。

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?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。四、設計舉例(典型)輸出濾波

將就上一貼的50KHz、100W(120W)反激電源為例，當前紋波指標為30mV.[!--empirenews.page--]

現(xiàn)在要求達到2mV的紋波精度。

方法一：加大輸出濾波電容：

將現(xiàn)用濾波電容C2的2200uF增加15倍，即33mF，輸出紋波則對應降低15倍(沒考慮ESR)，即等于2mV.

如果覺得33mF25V的海量電解不好找，或者不合算，那么：

方法二：增加一級LC濾波：

當Co1 = Co2 = 470uF時，配合一個5A 1.3uH的電感，輸出(與PWM同頻的)紋波即可下降到1.6mV以下。或者：

當Co1 = Co2 = 330uF時，配合一個5A 2.2uH的電感，輸出紋波即可下降到2.0 mV左右?？梢姡词乖黾右稽c點LC濾波。對輸出紋波、成本、體積的改善都是非常顯著的。

再來看這個濾波電感的工況：

電流的直流成分5.0A，交流成分0.1A左右，大約只占2%.

也就是說，這個電感基本上就是個直流偏電感，交流成分甚微。這意味著可以不必使用高級材料，也不考慮集膚效應，用普通鐵粉芯磁環(huán)單股繞制即可。

下面是這個電感的設計參數(shù)：

小結

在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡是很簡單的事情，只要將濾波電容一分為二、(隨便)插入一個電感就能使(不插入電感等效于原電路)濾波效果顯著提升，而且效果總是比單電容濾波效果好。因此：

1、工程師應該隨時想到：“我那個濾波電容是不是應該分成二個，中間插個小工字?”而且不用算，肯定比單電容好。

2、此法在同等情況下提高濾波效果，或者在同等濾波效果下降低成本、縮小體積，甚至縮小PCB面積。

3、既然不增加成本(甚至降低成本)就能夠?qū)崿F(xiàn)，因此在拓撲里面(的電感上或者控制模式上)去打主意減少紋波就是一件既費力又不討好的事情，什么“某某拓撲、某某模式紋波大”的問題也不再應是問題。