用于 PCB 设计的开关电源输出滤波器：设计与仿真

用于 PCB 设计的开关电源输出滤波器：设计与仿真

开关电源有多种形式，如大功率台式实验室电源，或通过专用IC和无源元件嵌入PCB中。 这些系统旨在确保以最小的噪音向系统的其余部分提供稳定的直流电源。 它也是衰减整流器残余纹波影响或消除输入噪声的理想选择。 为了保持输出无噪声且稳定，可能需要使用输出滤波器，这可以在 PCB 布局中使用无源元件来实现。

我展示了如何使用开关电源输出滤波器来抑制输出噪声，以及如何使用一些仿真工具来优化滤波器设计以降低噪声。 噪声降低取决于输出滤波器中的元件值和电路中的电感值。 作为示例，让我们看一下降压升压转换器拓扑，以了解如何实现开关电源的输出滤波器。

启动开关电源输出滤波器的设计

DC/DC 转换器（降压/升压或其他拓扑）上的输出滤波器是低通滤波器。 虽然典型的方法是放置一个 pi 滤波器将交流噪声转移到地，但这可以像并联电容器一样简单。 其原因在于，开关转换器的作用是将AC-DC电源转换产生的低频纹波转换为开关晶体管产生的高频开关噪声。 然后，输出滤波器将消除滤波器输出上的高频开关噪声，从而为负载提供干净的直流电源。

最后，我们得到以下 PWM 参数：100 kHz 开关频率、10 ns 上升时间、30% 占空比。 不要关注可提供特定功率输出的 PWM 或无源值的允许范围，而应关注可最大限度降低噪声的滤波器元件值的范围。

初始功率输出

事实上，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，当转换器在两种电压状态之间切换时，即在两个 PWM 频率或占空比之间切换时，过冲可能高达负载电流的 50%。 这可能会产生大电流尖峰，从而损坏您的负载。

负载元件的值也会影响电路中的输出纹波。 在下图中，我展示了当负载电阻增加到 1 MOhm 时会发生什么，这对于模拟 CMOS 集成电路输入阻抗来说是一个有用的值。 从这里，我们可以看到输出上的真实纹波，它反映在负载电流中。

纹波负载为 1 MOhm。因此，我们希望衰减转换器电路的响应，或者重新设计滤波器部分，以避免出现输出过冲时出现此类问题。 一种选择是通过添加一些阻力来直接添加一些阻尼。

添加阻尼阻力

解决瞬态响应不足问题的一种方法是在电容器C1和C2上添加一些阻尼。 为此，我向电容器 C1 和 C2 添加了 1 欧姆电阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驱动 10 欧姆负载。 这将使瞬态响应非常接近临界阻尼状态，并在仿真开始时提供关闭和开启状态之间的平滑过渡。 如果改变 PWM 参数，两个电源输出状态之间也会发生同样的平滑转换。 然而，如果电阻较高，瞬态响应会较慢。

这样做的一个小问题是我们损失了少量的功率：流向负载的电流更少，并且输出电压略低。 一些功率会落在 RC 部分的电阻上，从而导致一些额外的损耗。 虽然电流很小，但输出电流上会有一些轻微的残留噪声。

如果我们使用 1 MOhm 的负载，我们将得到相同的响应，但我们会在 C1+（串联电阻）网络上的电压降中看到一些初始纹波。 这是一个很好的响应，因为纹波不会反映到输出，但仍然存在相同的缓慢输出电流上升。 如果您不需要通过反馈循环非常快速地调整，并且希望确保状态之间的平滑转移，则可以这样做。

在继续之前，我认为必须注意的是，虽然响应速度慢得多，但我们将在大约 3 ms 内退出~预期最终电流的 95%，这仍然是相当快的开启时间。 仅出于比较目的，某些商用电源的额定总接通时间为 10 倍。 导通时间可能由其他组件（例如 PWM 驱动器）主导，特别是在反馈环路提供精确控制的情况下。 所以即使开放时间看起来很慢，我们仍然可以跑得足够快。

这里的一种选择是重新设计我们的开关电源输出滤波器电路，而不增加电阻以产生类似的结果。

更改 C1、C2 和/或 L2

这里的另一个选择是删除电阻并更改 C1/C2 和 L2。 修改 C1 和 C2 的问题在于，当修改临界阻尼条件时，输出端的最终纹波将受到这些电容器值的影响。 产生临界阻尼的条件是一个相当复杂的二次表达式，但直觉应该很清楚：

如果电容值太低，高频振荡会产生严重的阻尼响应不足。

如果电容值太高，我们的响应会非常慢，因为电容需要很长时间才能充电到所需的直流电平。

您可能想知道； 我们如何在 pi 滤波器中生成过冲瞬态响应？ 事实上，因为有多个电抗元件（2 个电感器和 2 个电容器），所以我们在组合传递函数中有 2 个具有多个极点的 LC 滤波器。 如果我们仔细观察上面的结果，我们可以看到两个瞬态响应是相互叠加的。 这些是来自 L1 和 C1（标准降压升压转换器响应）的开关 LC 响应，以及来自 L2、C2 和负载电阻器的典型 RLC 响应。

同时调整 L2 和输出电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，以在一系列电感值之间移动。 在这里，我想限制驱动 10 欧姆负载时在较小元件中发现的实际电感。 为了确保我尽可能接近临界阻尼，我将遍历C1=C2和L2的不同值。 我从一个小电容 (1 uF) 开始，然后将 L2 的值扫描到 0.2 mH。 对于 1 MOhm 负载，只需使用 RLC 电路中的关键阻尼条件遵循相同的步骤即可。

经证明，L2的最佳电感值约为150-200uH。 有许多绕线电感器的直流额定电流超过〜1.5A。 Vishay 的 IHV30EB150 就是一个例子。

L2 值的范围和 10 欧姆负载的功率输出。

过滤策略摘要

我们在这里学到了什么？ 我们从这些模拟中获得了一些见解，并可以从中得出一些建议：

您的滤波器设计很大程度上取决于转换器的输出电容器值。 如果输出电容太小，则需要并联一个额外的电容，使截止频率足够小，以提供噪声滤除。

我们只研究输出滤波器，但将滤波器放在输入上通常对于降低总噪声更有效。 基本上，这就是您对全波整流器上的输出电容器所做的事情：您试图将稳定的直流电源馈入电源的功率转换部分。

pi滤波器的瞬态响应存在过大的现象，可能很大。 这可以通过将电阻与电容器 C1 和 C2 串联或调整 L2 的值以通常的方式来阻尼。

添加阻尼时，请务必将所需电阻与所用电容器的 ESR 值进行比较。 另请注意，您将减慢电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电流尖峰取决于 PWM 参数，因此我们还可以使用此方法来确定允许足够低噪声的 PWM 频率/上升时间范围。

进一步改进。

重新设计后，持续改善滤波器响应的最后一个选择是在滤波器前后使用 RC 缓冲器。 这将减弱响应并补偿输出电流的纹波。 请注意这一点，因为这样做可能会在滤波器电路的传递函数中添加另一个极点。 另外，前后缓冲电路可能需要不同的电容值； 输出侧通常使用稍大的电容，以确保充分降低高电压