開關電源輸出濾波器：設計與仿真

2021-05-26

開關電源輸出濾波器：設計與仿真

開關電源有多種形式，例如在大功率臺式實驗室電源中，或通過專用IC和無源元件嵌入到PCB中。設計這些系統的目的是確保以最小的噪聲將穩定的DC電源輸送到系統的其余部分。衰減來自整流的任何殘留紋波的影響或消除輸入上的任何噪聲也是理想的選擇。要保持輸出無噪聲和穩定，可能需要使用輸出濾波器，該濾波器可以在PCB布局中使用無源器件來實現。

我展示如何使用開關電源輸出濾波器來抑制輸出噪聲，以及如何使用一些仿真工具來優化濾波器設計以降低噪聲。降低噪聲取決于輸出濾波器中的元件值和電路中的電感器的值。作為示例，讓我們看一看降壓-升壓轉換器拓撲，以了解如何為開關電源實現輸出濾波器。

開始開關電源輸出濾波器設計

DC / DC轉換器（降壓/升壓或其他拓撲）上的輸出濾波器是低通濾波器。盡管典型的方法是放置一個pi濾波器以將AC噪聲分流到地，但這可以和分流電容器一樣簡單。這樣做的原因是，開關轉換器的功能是將AC-DC電源轉換產生的低頻紋波轉換成開關晶體管產生的高頻開關噪聲。然后，輸出濾波器會消除濾波器輸出上的高頻開關噪聲，從而為負載提供干凈的直流電源。

下圖顯示了具有功率PMOS晶體管的開關降壓-升壓轉換器原理圖（您可以使用NMOS并更改V1和V2極性）。我突出了兩個部分：開關轉換器部分（綠色）和輸出濾波器部分（紅色）。在該電路中，輸出電容器是開關電源輸出濾波器的一部分。該濾波器具有標準的pi濾波器拓撲，以提供低通濾波。

降壓-升壓轉換器SMPS原理圖，帶輸出濾波器。

最后，我們在PWM上具有以下參數：100 kHz開關頻率，10 ns上升時間，30％占空比。與其關注于給出特定功率輸出的PWM或無源值的允許范圍，不如關注于使噪聲最低的濾波器組件值的范圍。

初始功率輸出

下圖顯示了一個瞬態仿真，該仿真顯示了電容器兩端的電壓（上圖）和輸送到負載的電流（下圖）。根據此結果，我們可以將未過濾的輸出（紅色曲線，頂部圖）與過濾的輸出（藍色曲線，頂部圖）進行比較。該濾波器在清除轉換器的開關噪聲方面做得很不錯。但是，當轉換器從OFF切換到ON時，會有明顯的低頻瞬態響應。

從上面顯示的DC / DC轉換器電路輸出的功率。

這種瞬態響應非常重要。實際上，瞬態過沖取決于PWM占空比和PWM信號的上升時間。在某些情況下，當轉換器在兩個電壓狀態之間切換時，即在兩個PWM頻率或占空比之間切換時，過沖可能會高達負載電流的50％。這可能會產生較大的電流尖峰，從而可能會損壞您的負載。

負載分量的值也會影響該電路中輸出的紋波。在下圖中，我展示了當負載電阻增加到1 MOhm時會發生什么，這對于模擬CMOS集成電路的輸入阻抗是一個有用的值。從這里，我們可以看到輸出上的真實紋波，這反映在負載電流中。

紋波負載為1 MOhm。

因此，我們希望衰減來自轉換器電路的響應，或者重新設計濾波器部分，以免輸出過沖時不會出現這樣的問題。一種選擇是通過增加一些電阻來直接增加一些阻尼。

添加用于阻尼的電阻

解決瞬態響應不足的問題的一種方法是在電容器C1和C2上增加一些阻尼。為此，我在電容器C1和C2中添加了1 Ohm電阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驅動10 Ohm負載。這將使瞬態響應非常接近臨界阻尼狀態，并在仿真開始時在OFF和ON狀態之間提供平穩的過渡。如果更改了PWM參數，則在兩個電源輸出狀態之間會發生相同的平滑過渡。但是，如果電阻較大，則瞬態響應會變慢。

上面顯示的DC / DC轉換器電路的輸出功率，加上阻尼和10歐姆負載。

這樣做的一個小問題是我們損失了少量功率：流向負載的電流更少，輸出電壓略低。一些功率在RC部分的電阻上下降，從而導致一些額外的損耗。盡管電流很小，但在輸出電流上也會有一些輕微的殘留噪聲。

如果使用1 MOhm的負載，我們會得到相同的響應，但是在C1 +（串聯電阻）網絡上的壓降中會看到一些初始紋波。這是一個不錯的響應，因為紋波不會反射到輸出，但是仍然有相同的緩慢輸出電流上升。如果您不需要通過反饋回路進行非常快速的調節，并且想要確保狀態之間的平穩傳遞，則可以這樣做。

上圖所示的DC / DC轉換器電路的輸出功率，增加了阻尼，負載為1 MOhm。

在繼續之前，我認為必須注意的是，盡管響應速度要慢得多，但我們會在約3 ms內辭去預期最終電流的?95％，這仍然是一個相當快的開啟時間。只是為了進行比較，某些商用電源的額定總接通時間為10倍。開啟時間可能受其他組件（如PWM驅動器）支配，尤其是在有一個反饋環路提供精確控制的情況下。因此，即使打開時間看起來很慢，我們仍能以足夠快的速度運行。

這里的一種選擇是在不增加電阻的情況下重新設計我們的開關電源輸出濾波電路，以產生相似的結果。

更改C1，C2和/或L2

此處的另一種選擇是刪除電阻器并更改C1 / C2和L2。修改C1和C2的問題在于，當您修改臨界阻尼的條件時，輸出端的最終紋波將受到這些電容器的值的影響。產生臨界阻尼的條件是一個相當復雜的二次表達式，但是直覺應該在這里清楚：

如果電容器的值太低，則高頻振蕩會產生嚴重的阻尼不足響應。

如果電容器的值太高，我們的響應將非常緩慢，因為電容器需要很長時間才能充電到所需的DC電平。

您可能想知道；我們如何在pi濾波器中產生過沖的瞬態響應？實際上，由于存在多個電抗元件（2個電感器和2個電容器），我們在組合傳遞函數中有2個具有多個極點的LC濾波器。如果仔細觀察以上結果，我們可以看到兩個瞬態響應相互疊加。這些是來自L1和C1的開關LC響應（標準的降壓-升壓轉換器響應），以及來自L2，C2和負載電阻的典型RLC響應。

一起調節L2和輸出電容器是獲得低輸出紋波的另一種方法。在下圖中，我在“模擬儀表板”中創建了頻率掃描，以便在一系列電感值之間移動。在這里，我想限制自己在驅動10 Ohm負載時會在較小的組件中找到的實際電感。為了確保我盡可能接近臨界阻尼，我將遍歷C1 = C2和L2的不同值。我從較小的電容（1 uF）開始，然后掃描L2的值直至0.2 mH。對于1 MOhm負載，只需使用RLC電路中的關鍵阻尼條件遵循相同的步驟即可。

事實證明，L2的最佳電感值約為150-200 uH。有很多線繞電感器，其直流電流額定值超過?1.5A。Vishay的IHV30EB150就是一個例子。

一系列L2值和10歐姆負載的功率輸出。

過濾策略摘要

我們在這里學到了什么？我們從這些模擬中獲得了一些見解，并可以從中得出幾點建議：

您的濾波器設計在很大程度上取決于轉換器的輸出電容器值。如果輸出電容器太小，則需要并聯一個額外的電容器，以使截止頻率足夠小以提供噪聲過濾。

我們僅研究了輸出濾波器，但是將濾波放在輸入上通常對于降低總噪聲更為有效?；旧?，這就是使用全波整流器上的輸出電容器進行的操作：您正在嘗試將穩定的DC電源饋入電源的電源轉換部分。

pi濾波器的瞬態響應中有一個過大的現象，可能會很大?？梢酝ㄟ^將電阻與電容器C1和C2串聯放置或調整L2的值來以通常的方式對此進行阻尼。

添加阻尼時，請確保將所需的電阻與所用電容器的ESR值進行比較。還要注意，您會減慢電路的響應速度并犧牲一些功率。

由于瞬態響應期間負載上的電流尖峰取決于PWM參數，因此我們也可以采用這種方法來確定允許產生足夠低噪聲的PWM頻率/上升時間范圍。

進一步改進

重新設計后，要不斷改善濾波器響應的最后一種選擇是在濾波器之前和之后使用RC緩沖器。這將減弱響應并補償輸出電流上的紋波。請注意這一點，因為這樣做可能會給濾波電路的傳遞函數增加另一個極點。此外，前后緩沖電路可能需要不同的電容值；輸出側通常使用稍大的電容器，以確保充分減少高頻紋波。

完成您的SMPS原理圖

在上面的示例中，我們僅顯示了SMPS的轉換器部分，并且還需要其他重要的電路塊才能使SMPS正常工作。SMPS中需要的其他部分取決于最終應用程序以及系統中需要什么級別的控制或精度。在上面的示例中，我們沒有包括一些其他必要的功能：

PWM生成：對于給定的PWM頻率，要將輸出電壓設置為特定的電平，可以使用PWM發生器來確保輸出電壓為所需的電平。這可以像VCO電路一樣簡單，也可以使用專用的PWM發生器IC。

控制環路：某些電源拓撲，例如LLC諧振轉換器，將需要一個大電流控制環路，在該環路中測量轉換器的輸出并調整PWM占空比或頻率以將電壓維持在所需的水平。帶有基準電壓的運算放大器是進行此調整的最簡單方法，或者可以通過MCU以數字方式完成。您還可以使用專用的控制器芯片。

用戶界面：系統可能需要某種方式來接受用戶輸入，并應用達到所需輸出電壓所需的PWM占空比/頻率。最簡單的方法是在MCU上實現的應用程序。

一些電源控制器組件將位于控制環路中，測量輸出電壓，并根據通過數字接口（通常為I2C）施加并由MCU實施的設置來調整PWM信號。