简单实用教你如(ru)何把开关电(dian)源(yuan)设计(ji)达(da)到线性电(dian)源(yuan)水平-KIA MOS管
信(xin)息来源：本站 日期：2019-04-28
本文主要(yao)是(shi)(shi)(shi)解(jie)析如(ru)何把(ba)开关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)设(she)计达到线性电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)水平。这里先介绍一(yi)下开关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)基本知识，又称交(jiao)换(huan)(huan)式(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)、开关(guan)变换(huan)(huan)器(qi)，是(shi)(shi)(shi)一(yi)种(zhong)高(gao)频化电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能转换(huan)(huan)装置，是(shi)(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)供应器(qi)的(de)(de)一(yi)种(zhong)。其功能是(shi)(shi)(shi)将(jiang)一(yi)个位(wei)准的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压，透过不同(tong)形式(shi)的(de)(de)架构转换(huan)(huan)为用户(hu)端(duan)所(suo)需(xu)求的(de)(de)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压或(huo)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。开关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)输入多(duo)半是(shi)(shi)(shi)交(jiao)流(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)（例(li)如(ru)市电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)）或(huo)是(shi)(shi)(shi)直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)，而输出多(duo)半是(shi)(shi)(shi)需(xu)要(yao)直(zhi)流(liu)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)设(she)备(bei)，例(li)如(ru)个人电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)脑，而开关(guan)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)就进行两(liang)者之间电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压及(ji)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)的(de)(de)转换(huan)(huan)。
开关电源(yuan)产品广泛应用(yong)于工(gong)业(ye)自动化(hua)控制(zhi)、军工(gong)设(she)(she)备(bei)、科研设(she)(she)备(bei)、LED照(zhao)明、工(gong)控设(she)(she)备(bei)、通(tong)讯设(she)(she)备(bei)、电力设(she)(she)备(bei)、仪(yi)器仪(yi)表、医疗设(she)(she)备(bei)、半导体制(zhi)冷制(zhi)热(re)、空气(qi)净化(hua)器，电子冰箱(xiang)，液晶显示器，LED灯具，通(tong)讯设(she)(she)备(bei)，视听产品，安(an)防监控，LED灯带，电脑机箱(xiang)，数码产品和仪(yi)器类等领域。
开(kai)关电(dian)(dian)源(yuan)大(da)致由主电(dian)(dian)路(lu)、控制电(dian)(dian)路(lu)、检测电(dian)(dian)路(lu)、辅助电(dian)(dian)源(yuan)四大(da)部(bu)份(fen)组成。
（一）主电路
冲击(ji)电(dian)流限(xian)幅：限(xian)制接通电(dian)源瞬间输入侧的冲击(ji)电(dian)流。
输入滤波(bo)器(qi)：其(qi)作用是过滤电网存(cun)在的(de)杂(za)波(bo)及阻(zu)碍本机产生(sheng)的(de)杂(za)波(bo)反馈回电网。
整流与(yu)滤波：将电网交流电源直接(jie)整流为较平(ping)滑的直流电。
逆变：将整流后的(de)直流电(dian)变为高(gao)频(pin)交流电(dian)，这(zhei)是高(gao)频(pin)开关电(dian)源的(de)核心部分。
输出整(zheng)流与滤波：根据负载需要，提供稳定可(ke)靠的直流电源。
（二）控制电路
一方(fang)面(mian)从输出端取(qu)样，与设定值(zhi)进行比较，然后去控制逆(ni)变(bian)器，改变(bian)其脉(mai)宽(kuan)或脉(mai)频(pin)，使输出稳定，另一方(fang)面(mian)，根(gen)据测(ce)试电(dian)路(lu)提(ti)供的数据，经保(bao)(bao)护电(dian)路(lu)鉴(jian)别，提(ti)供控制电(dian)路(lu)对电(dian)源进行各种(zhong)保(bao)(bao)护措施(shi)。
（三）检测电路
提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
（四）辅助电源
实(shi)现电源的软件（远程(cheng)）启动(dong)，为保护(hu)电路和控制电路（PWM等芯(xin)片(pian)）工作供(gong)电。
解(jie)析(xi)如(ru)何把开(kai)关电(dian)(dian)源设计达到(dao)线性电(dian)(dian)源水平，开(kai)关电(dian)(dian)源，尺寸小、成本低、效率高，所以具有(you)极(ji)高的价值。但是，它(ta)最大(da)的缺点(dian)就是高开(kai)关(guan)瞬态(tai)导致高输出噪声(sheng)。就是这个缺点(dian)，使得它(ta)们无法用于以线性稳压器供电为主的高性能模拟电路中。可(ke)是，实(shi)践证明(ming)，在很多应用中，经(jing)过(guo)适当滤(lv)波的开关转换器(qi)可(ke)以代(dai)替线性稳压器(qi)从(cong)而(er)产生低噪声电源。因此，有必要设计经过(guo)优化(hua)和阻尼处理的(de)多级滤波器(qi)，来消(xiao)除开关(guan)电源转(zhuan)换器(qi)的(de)输出噪声。本文(wen)示例电(dian)路将采用升压转(zhuan)(zhuan)换器(qi)，但结(jie)果可以直(zhi)接应用于任(ren)意DC-DC转(zhuan)(zhuan)换器(qi)。图1所示为升压转(zhuan)(zhuan)换器(qi)在恒定电(dian)流模式(CCM)下的基本波形(xing)。
图1. 升压(ya)转换(huan)器的基本电压(ya)和电流(liu)波形
输(shu)出滤波(bo)器对升压拓扑(pu)或其它任何(he)带有断续电(dian)(dian)(dian)流模式的拓扑(pu)之所以重要，是(shi)因为它在开(kai)关B内电(dian)(dian)(dian)流具(ju)有快速上升和下降时间。这会导致激励开(kai)关、布局和输(shu)出电(dian)(dian)(dian)容中的寄生电(dian)(dian)(dian)感。其结果是(shi)，在实(shi)际(ji)使(shi)用中，输(shu)出波(bo)形看上去(qu)更(geng)像图(tu)2而非(fei)图(tu)1，哪怕布局布线良好(hao)并且使(shi)用陶瓷输(shu)出电(dian)(dian)(dian)容。
图2. DCM中升压转换器的典型测(ce)量波形
由于电(dian)(dian)容(rong)电(dian)(dian)荷的(de)变化(hua)而导(dao)致的(de)开(kai)关(guan)纹波(开(kai)关(guan)频率(lv))相比(bi)输(shu)出(chu)开(kai)关(guan)的(de)无阻尼振铃而言非(fei)常(chang)小，下文(wen)称(cheng)为输(shu)出(chu)噪声。一(yi)般而言，此输(shu)出(chu)噪声范围为10 MHz至100 MHz以上，远超出(chu)大部分陶瓷输(shu)出(chu)电(dian)(dian)容(rong)的(de)自谐振频率(lv)。因此，添加额外(wai)的(de)电(dian)(dian)容(rong)对噪声衰减的(de)作用不(bu)大。
还(hai)有很多各类滤(lv)波器适(shi)合对(dui)此输出(chu)滤(lv)波。我们(men)将解(jie)释每一种滤(lv)波器，并给出(chu)设计(ji)的(de)每一个步骤。
文(wen)中的公式并不(bu)严谨，且做了一些合理(li)的假设，以便一定程度上简(jian)化(hua)这些公式。仍然需(xu)要进行一些迭(die)代，因为每一个元件(jian)都会(hui)影(ying)响其(qi)它元件(jian)的数值。
ADIsimPower设计(ji)(ji)工(gong)具利(li)用元件(jian)(jian)(jian)(jian)值（比如成本或尺寸）的(de)线性化公式在实际(ji)选择元件(jian)(jian)(jian)(jian)前进(jin)行(xing)(xing)优(you)化，然后(hou)从成千上(shang)万器件(jian)(jian)(jian)(jian)的(de)数据(ju)库中(zhong)选出实际(ji) 元件(jian)(jian)(jian)(jian)后(hou)对其(qi)输(shu)出进(jin)行(xing)(xing)优(you)化，从而避免了这个(ge)问(wen)题。但在刚开(kai)始进(jin)行(xing)(xing)设计(ji)(ji)时，这种程度的(de)复杂性是(shi)没有必要的(de)。通过提供的(de)计(ji)(ji)算公式，使(shi)用SIMPLIS仿真器——比如免费的(de)ADIsimPE?——或者在实验(yan)室工(gong)作台上(shang)花费一(yi)些(xie)时间，就能以最少(shao)的(de)精力得到满意的(de)设计(ji)(ji)。
开始(shi)设计滤(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)前，让我(wo)们先考虑一(yi)下单级滤(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)RC或LC滤(lv)(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)可以做什么？
通常(chang)采用二(er)级(ji)滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)(qi)可以(yi)(yi)合(he)理地将(jiang)纹(wen)波(bo)(bo)抑制到几百μV p-p范围内，并(bing)将(jiang)开关(guan)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)抑制在(zai)1 mV p-p 以(yi)(yi)下(xia)。降压(ya)转换器(qi)(qi)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)较低(di)，因(yin)为(wei)电源(yuan)(yuan)(yuan)电感提供了很(hen)好的滤(lv)(lv)波(bo)(bo)能力。这些限制是(shi)因(yin)为(wei)，一旦纹(wen)波(bo)(bo)降低(di)至(zhi)μV级(ji)别，元件寄生和滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)(qi)级(ji)之间的噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)耦(ou)合(he)便(bian)开始成(cheng)为(wei)限制因(yin)素。如果使用噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)更低(di)的电源(yuan)(yuan)(yuan)，则需添加三级(ji)滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)(qi)。然(ran)(ran)而，开关(guan)电源(yuan)(yuan)(yuan)的基准(zhun)电压(ya)源(yuan)(yuan)(yuan)一般不是(shi)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)最低(di)的元件，并(bing)且(qie)常(chang)常(chang)受到抖动(dong)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)的影响。这些都(dou)导致了低(di)频噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)(1 Hz至(zhi)100 kHz)，通常(chang)不易滤(lv)(lv)除。因(yin)此，对于(yu)极(ji)低(di)噪(zao)(zao)(zao)声(sheng)电源(yuan)(yuan)(yuan)而言，使用单个(ge)二(er)级(ji)滤(lv)(lv)波(bo)(bo)器(qi)(qi)然(ran)(ran)后在(zai)输(shu)出端添加一个(ge)LDO可能更合(he)适。
在(zai)更详细地(di)介(jie)绍各类滤波器的(de)设计步(bu)骤前，部分在(zai)设计步(bu)骤中使用的(de)各类滤波器的(de)数(shu)值定义如下(xia)：
ΔIPP: 进入(ru)输出滤波器(qi)(qi)的峰峰值电(dian)流(liu)近似值（为方便计(ji)算(suan)，假(jia)定是正(zheng)弦信号(hao)。数值取决于拓扑。对(dui)(dui)于降压转(zhuan)换器(qi)(qi)而(er)(er)言(yan)，它(ta)是电(dian)感(gan)中的峰峰值电(dian)流(liu)。对(dui)(dui)于升压转(zhuan)换器(qi)(qi)而(er)(er)言(yan)，它(ta)是开关(guan)B(通常是一(yi)个二极管)中的峰值电(dian)流(liu)。）
ΔVRIPOUT : 转换器开关频率处的输出电压纹波近似值
RESR: 所选(xuan)输出(chu)电容的ESR
FSW : 转换器开(kai)关频率
CRIP: 输出电容的计算中，假(jia)定(ding)所有ΔIPP 流入其中
ΔVTRANOUT: ISTEP施加于输出时，VOUT 的变化
ISTEP: 输出负载的瞬时变(bian)化
TSTEP: 转换器对于输出负(fu)载瞬时变(bian)化(hua)的(de)近似响应时间
Fu: 转换(huan)器的交越频率（对(dui)于降压转换(huan)器而(er)(er)言，其(qi)值(zhi)通(tong)常为FSW ?10；对(dui)于升(sheng)压或降压/升(sheng)压转换(huan)器而(er)(er)言，它通(tong)常位于右半平(ping)面零点(RHPZ)约1/3位置处。）
最简单的(de)(de)(de)滤(lv)波器(qi)类型为RC滤(lv)波器(qi)，如图(tu)3中基于低(di)电流(liu)ADP161x升压设计的(de)(de)(de)输出(chu)端所(suo)连接(jie)的(de)(de)(de)那样。该滤(lv)波器(qi)具(ju)有低(di)成本优势，无(wu)需阻尼。但(dan)是(shi)，由于功耗的(de)(de)(de)原因，它(ta)仅对(dui)极低(di)输出(chu)电流(liu)转(zhuan)换器(qi)有用。本文假定陶瓷电容具(ju)有较低(di)ESR。
图3. 在输(shu)出端(duan)添加RC滤(lv)波器的(de)ADP161x低输(shu)出电流升(sheng)压(ya)转换器设计
第1步
C1根据以下条件选择：假设C1的(de)输(shu)出(chu)纹(wen)波近似值(zhi)可(ke)以忽略其(qi)余滤波器；5 mV p-p至20 mV p-p就(jiu)是一(yi)个很好的(de)选择。C1随后可(ke)通过公(gong)式1计算得出(chu)。
第2步
R可以根据功耗(hao)选择。R必须远大于RESR，电容和这个(ge)滤波器(qi)才能起作用(yong)。这将输出电流的范(fan)围限制在50 mA以下。
第(di)3步
C2随后(hou)可通过(guo)公式2至公式6计算(suan)得出。A、a、b和c是简化计算(suan)的(de)中间(jian)值，没(mei)有实(shi)际(ji)意义(yi)。这些(xie)公式假(jia)定R < />LOAD，且每个(ge)电(dian)容的(de)ESR较小。这些(xie)都是很(hen)好的(de)假(jia)设，引入的(de)误差很(hen)小。C2应(ying)等于或大于C1。可调(diao)节第1步中的(de)纹波，使其成(cheng)为可能(neng)。
对于较(jiao)高电(dian)流电(dian)源(yuan)而言，将pi滤波器(qi)(qi)中的(de)电(dian)阻(zu)以如(ru)(ru)图4中的(de)电(dian)感代替是(shi)有好处的(de)。这种配置提供了极佳的(de)纹波和开关噪声抑制(zhi)能力，并具有较(jiao)低(di)的(de)功耗(hao)。问题在于，我们现(xian)在引入了一个(ge)额外的(de)储能电(dian)路，它可能产生谐振。这就有可能导(dao)致(zhi)振荡，使电(dian)源(yuan)不稳定。因此，设(she)计该滤波器(qi)(qi)的(de)第一步是(shi)如(ru)(ru)何(he)选择(ze)阻(zu)尼滤波器(qi)(qi)。图4显示(shi)了三(san)种可行的(de)阻(zu)尼技术(shu)。
图4. 采用(yong)输出滤波器(qi)并突(tu)出多种不同阻尼技术的(de)ADP1621
阻(zu)尼技术1：添加RFILT具有(you)额(e)外成(cheng)本和尺寸(cun)增加较少(shao)的优势。阻(zu)尼电阻(zu)的损耗(hao)通常很(hen)少(shao)(甚至(zhi)没有(you))，哪怕大电源情况下(xia)都很(hen)小。缺(que)点是，它会降低电感(gan)的并联阻(zu)抗，从(cong)而大幅降低滤波器的有(you)效性。
阻(zu)尼技术(shu)2：第二种技术(shu)的(de)优势是滤(lv)波器(qi)性能(neng)最大化。如果需要(yao)采用全陶瓷设计(ji)，则(ze)RD可以是与陶瓷电(dian)容(rong)(rong)串联的(de)分立式电(dian)阻(zu)。否则(ze)需使用具有高ESR且物理尺寸(cun)(cun)较大的(de)电(dian)容(rong)(rong)。这个额(e)外(wai)的(de)电(dian)容(rong)(rong)(CD)会(hui)大幅增加设计(ji)的(de)成本和(he)尺寸(cun)(cun)。
阻(zu)尼(ni)技术3：看上去具有极(ji)大(da)(da)的优势，因为(wei)阻(zu)尼(ni)电(dian)容(rong)CE添加至输出(chu)端，它可能对瞬(shun)态响应和输出(chu)纹波性能有所助益。然而，这(zhei)种技术成本最(zui)高，因为(wei)所需电(dian)容(rong)数(shu)量极(ji)大(da)(da)。
此外，输(shu)出(chu)端相对而(er)言较(jiao)多(duo)的电容会降低滤波器(qi)(qi)谐振(zhen)频率，进而(er)减少转换器(qi)(qi)可实(shi)现的带宽——因此不(bu)建议使(shi)用(yong)第3种(zhong)(zhong)技术(shu)。对于ADIsimPower设计工具来(lai)说(shuo)，我们采(cai)用(yong)第1种(zhong)(zhong)技术(shu)，因为它成本(ben)较(jiao)低，且在自动化设计步骤中相对来(lai)说(shuo)较(jiao)为容易实(shi)现。
需注意(yi)的(de)另一(yi)个(ge)问(wen)题是补偿(chang)。尽(jin)管这(zhei)可能(neng)不符(fu)合直(zhi)觉(jue)，但把滤波器(qi)放(fang)在(zai)(zai)反馈(kui)环路内部几乎一(yi)直(zhi)都是更(geng)好(hao)的(de)做法。这(zhei)是因为，将其放(fang)在(zai)(zai)反馈(kui)环路内有助于在(zai)(zai)一(yi)定(ding)程度上抑制滤波器(qi)，消除(chu)直(zhi)流负载偏移和滤波器(qi)的(de)串(chuan)联电阻，同时能(neng)提供(gong)更(geng)好(hao)的(de)瞬态(tai)响应、更(geng)低的(de)振铃(ling)。图(tu)5显示了(le)(le)一(yi)个(ge)升压转换器(qi)的(de)波特(te)图(tu)，其在(zai)(zai)输出端添加了(le)(le)LC滤波器(qi)输出。
图5. 输出端带LC滤波器(qi)的升压转换器(qi)
反馈(kui)在(zai)滤(lv)波器(qi)电感之(zhi)前或之(zhi)后获取。人们没有想到的(de)是(shi)，哪怕滤(lv)波器(qi)不在(zai)反馈(kui)环(huan)(huan)路(lu)内(nei)部，开(kai)环(huan)(huan)波特图依然(ran)存在(zai)非常大的(de)变化(hua)。由(you)于(yu)控制(zhi)环(huan)(huan)路(lu)无(wu)论滤(lv)波器(qi)是(shi)否在(zai)反馈(kui)环(huan)(huan)路(lu)中都会(hui)受影响，因此也(ye)应对其进行(xing)适当补偿(chang)。一般而言，这意味着(zhe)将目标交越频(pin)率(lv)向下调整至不超过滤(lv)波器(qi)谐(xie)振频(pin)率(lv)(FRES)的(de)五分之(zhi)一到十分之(zhi)一。
这类滤波器(qi)的设计步骤(zhou)本质上是一(yi)个迭(die)代过程，因为每(mei)一(yi)个元件(jian)的选择(ze)都会影响其它元件(jian)的选择(ze)。
使用并联阻尼电阻的LC滤波器设计步骤（图4中的第1种技术）
第1步
选(xuan)择C1，使(shi)其(qi)等于输出端(duan)没有输出滤波器时的(de)情况。5 mV至20 mV p-p是一个(ge)很好的(de)开(kai)端(duan)。C1随后可通过(guo)公(gong)式8计算得(de)出。
第2步(bu)
选择(ze)电感(gan)(gan)LFILT。根据经(jing)验，较(jiao)好的(de)(de)数值范围为0.5 μF至2.2 μF。应按照高(gao)自谐振频(pin)率(SRF)来选择(ze)电感(gan)(gan)。较(jiao)大的(de)(de)电感(gan)(gan)具(ju)有较(jiao)大的(de)(de)SRF，这意(yi)味着它们的(de)(de)高(gao)频(pin)噪声滤(lv)波(bo)(bo)效率较(jiao)差。较(jiao)小的(de)(de)电感(gan)(gan)对纹波(bo)(bo)的(de)(de)影响没(mei)有那么大，需要更多电容(rong)。开(kai)关频(pin)率越高(gao)，电感(gan)(gan)值越小。比较(jiao)电感(gan)(gan)值相同的(de)(de)两个电感(gan)(gan)时(shi)，SRF较(jiao)高(gao)的(de)(de)器件具(ju)有较(jiao)低的(de)(de)绕组(zu)间电容(rong)。绕组(zu)间电容(rong)用作(zuo)滤(lv)波(bo)(bo)器周围的(de)(de)短(duan)路(lu)，作(zuo)用于高(gao)频(pin)噪声。
第3步
如前所(suo)(suo)述，添加滤波(bo)器(qi)(qi)会影响转换(huan)器(qi)(qi)补偿，具体表现(xian)为降低(di)可实(shi)现(xian)的交越频率(Fu)。根据公式7的计算，对于电流模(mo)式转换(huan)而言，可实(shi)现(xian)的最大(da)Fu是(shi)(shi)开关频率的1/10以(yi)下(xia)，或者是(shi)(shi)滤波(bo)器(qi)(qi)FRES的1/5以(yi)下(xia)。幸运(yun)的是(shi)(shi)，大(da)部(bu)分模(mo)拟负载(zai)不(bu)需要太高的瞬态响应。公式9计算转换(huan)器(qi)(qi)输(shu)出(chu)所(suo)(suo)需的输(shu)出(chu)电容近似(si)值(CBW)，以(yi)提(ti)供指定的瞬态电流阶跃。
第4步
将C2设为(wei)CBW和C1的最(zui)小值(zhi)。
第5步
利用(yong)公(gong)式(shi)(shi)10和公(gong)式(shi)(shi)11计(ji)(ji)算(suan)阻(zu)尼滤(lv)波器(qi)电阻(zu)近似值。这些公(gong)式(shi)(shi)并(bing)非绝对精(jing)确，但(dan)它们(men)是不使(shi)用(yong)泛代数(shu)的(de)最(zui)接近的(de)闭(bi)式(shi)(shi)解决方案。ADIsimPower设(she)计(ji)(ji)工(gong)具通过计(ji)(ji)算(suan)转换器(qi)在(zai)滤(lv)波器(qi)和电感短(duan)路(lu)(lu)时的(de)开(kai)环传(chuan)递函数(shu)(OLTF)从而计(ji)(ji)算(suan)RFILT。RFILT值为(wei)猜测(ce)值，直到滤(lv)波器(qi)仅为(wei)转换器(qi)OLTF以上10 dB时转换器(qi)OLTF的(de)峰值(电感短(duan)路(lu)(lu))。这种技术可用(yong)于ADIsimPE等仿真(zhen)器(qi)中(zhong)，或用(yong)于使(shi)用(yong)频谱分析仪的(de)实验室中(zhong)。
第6步
C2现在可(ke)以通过公式(shi)12至公式(shi)15计(ji)算得出(chu)。a、b、c和(he)d用于简化公式(shi)16。
第7步(bu)
应重复第3步(bu)(bu)至第5步(bu)(bu)，直至计(ji)算出满足所需纹波和(he)瞬态(tai)规格的优(you)秀阻尼(ni)滤波器(qi)(qi)设计(ji)。应注意(yi)，这些(xie)公式忽略了(le)滤波器(qi)(qi)电(dian)(dian)(dian)感(gan)的直流串联电(dian)(dian)(dian)阻RDCR。对于较低的电(dian)(dian)(dian)源电(dian)(dian)(dian)流而(er)言，该电(dian)(dian)(dian)阻可能(neng)(neng)非常大。它(ta)通过(guo)帮(bang)助抑制(zhi)滤波器(qi)(qi)而(er)改(gai)(gai)(gai)善(shan)了(le)滤波器(qi)(qi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)，增加了(le)所需RFILT的同(tong)时也增加了(le)滤波器(qi)(qi)阻抗(kang)。这两(liang)个效应都(dou)会极(ji)大地改(gai)(gai)(gai)善(shan)滤波器(qi)(qi)性(xing)(xing)能(neng)(neng)。因此(ci)，以LFILT中(zhong)的少量功(gong)耗换(huan)来(lai)低噪(zao)声(sheng)性(xing)(xing)能(neng)(neng)是(shi)很划算的，这样可以改(gai)(gai)(gai)善(shan)噪(zao)声(sheng)性(xing)(xing)能(neng)(neng)。LFILT中(zhong)的内核损(sun)耗还有(you)助于衰减(jian)部(bu)分高频(pin)噪(zao)声(sheng)。因此(ci)，高电(dian)(dian)(dian)流供电(dian)(dian)(dian)的铁磁芯是(shi)一个很好(hao)的选(xuan)择。它(ta)们(men)在电(dian)(dian)(dian)流能(neng)(neng)力相同(tong)的情况(kuang)下(xia)尺寸更(geng)小、成本更(geng)低。当然，ADIsimPower具有(you)滤波器(qi)(qi)电(dian)(dian)(dian)感(gan)电(dian)(dian)(dian)阻值(zhi)以及两(liang)个电(dian)(dian)(dian)容(rong)的ESR值(zhi)，可实现最高精度。
第8步
选择实际的元(yuan)件来匹配(pei)计算值时，注意需对任意陶瓷电容进行(xing)降低额定值处理，以便将直流偏置(zhi)纳入考量中！
如前文所述，图4给出了抑(yi)制滤波(bo)器的两种可行(xing)技术。如果未(wei)选择并联(lian)电阻，那么可以选择CD来(lai)抑(yi)制滤波(bo)器。这会增加一些成本，但相(xiang)比其它任何(he)技术它能提供最佳的滤波(bo)器性能。
使用RC阻尼网络的LC滤波器设计步骤（图4中的第2种技术）
第1步
正如之前(qian)的(de)拓(tuo)扑，选择(ze)C1，使其等于没(mei)有输出(chu)滤波器时(shi)的(de)情况。10 mV p-p至100 mV p-p是个不(bu)错的(de)开始，具体取决于最终目标(biao)输出(chu)纹(wen)波。C1随后可(ke)通(tong)过公式8计算得出(chu)。C1在(zai)这个拓(tuo)扑中(zhong)可(ke)以采用(yong)比之前(qian)拓(tuo)扑更小的(de)数(shu)值，因为滤波器效率(lv)更高(gao)。
第(di)2步
在之前(qian)的拓扑中，选择数值(zhi)为0.5 μH至2.2 μH的电感。对于500 kHz至1200 kHz的转换器(qi)而言，1 μH是一个很好(hao)的数值(zhi)。
第3步
与前文相同，C2可以从公式16中(zhong)选择，但RFILT应设为(wei)较(jiao)大的值，比(bi)如1 MΩ，因(yin)为(wei)不会(hui)(hui)安装该(gai)元件。无(wu)论C1是(shi)否有额外 的电(dian)容，它的值不变(bian)的原因(yin)是(shi)，为(wei)了提供良好的阻尼，RD会(hui)(hui)足(zu)够大，以至于CD不会(hui)(hui)过多地(di)降低纹(wen)波(bo)。将C2设为(wei)C2、CBW和(he)(he)C1计算得(de)出的最小(xiao)值。此时回(hui)到第(di)1步并调节C1上(shang)的纹(wen)波(bo)会(hui)(hui)很有用(yong)，这(zhei)样计算得(de)到的C2近似等于CBW和(he)(he)C1。
第4步
CD的值应当(dang)等于C1。理论(lun)上(shang)，使用更(geng)大的电(dian)容可以(yi)实现滤波器的更(geng)多(duo)抑制，但它(ta)不必要地增加了成本和尺寸，并且会降低转换器带宽。
第5步
RD可以通(tong)过公式17计算得(de)出(chu)(chu)。FRES通(tong)过公式7计算得(de)出(chu)(chu)，忽(hu)略CD。这(zhei)是一个(ge)很好的近似，因为Rd通(tong)常足够大，从(cong)而CD几(ji)乎不影响滤波器谐(xie)振位置。
第6步
现在(zai)，CD和RD都已算出，可以使用(yong)带有串联电(dian)(dian)阻(zu)的陶瓷电(dian)(dian)容(rong)，或者选择带有大ESR的钽电(dian)(dian)容(rong)或类似(si)电(dian)(dian)容(rong)来(lai)满足(zu)计算得出的规(gui)格。
第7步：
选择实(shi)际的元件来匹配计(ji)算值时，注意需对任意陶瓷电容进行降(jiang)低额定值处(chu)理，以便将(jiang)直流偏置纳入考量中！
另(ling)一(yi)(yi)种滤(lv)(lv)波(bo)器(qi)技术是(shi)(shi)以(yi)铁(tie)(tie)氧(yang)(yang)体磁珠代替(ti)之前滤(lv)(lv)波(bo)器(qi)中(zhong)的(de)L。但(dan)是(shi)(shi)，这(zhei)种方案(an)有(you)很多缺点，它限制(zhi)了开关(guan)噪(zao)声滤(lv)(lv)波(bo)的(de)有(you)效(xiao)性，而对(dui)开关(guan)纹(wen)波(bo)几乎没(mei)有(you)好处。首(shou)先是(shi)(shi)饱和。铁(tie)(tie)氧(yang)(yang)体磁珠将在(zai)极低(di)的(de)偏置电流(liu)电平(ping)处饱和，这(zhei)意味着铁(tie)(tie)氧(yang)(yang)体会(hui)比所(suo)(suo)有(you)数据手册(ce)(ce)中(zhong)零偏置曲(qu)线所(suo)(suo)表(biao)示的(de)都要低(di)得(de)多。它可能依然需要抑制(zhi)，因(yin)(yin)为它仍然是(shi)(shi)一(yi)(yi)个电感，因(yin)(yin)此(ci)会(hui)跟随输出电感谐(xie)振(zhen)。但(dan)现在(zai)电感是(shi)(shi)一(yi)(yi)个变量，而且以(yi)大(da)部分数据手册(ce)(ce)所(suo)(suo)能提供(gong)的(de)极少(shao)量数据进行极差的(de)特性化。由(you)于(yu)这(zhei)个原因(yin)(yin)，不建(jian)议使用铁(tie)(tie)氧(yang)(yang)体磁珠作为二级滤(lv)(lv)波(bo)器(qi)，但(dan)可以(yi)用在(zai)下游以(yi)进一(yi)(yi)步降(jiang)低(di)极高的(de)频率噪(zao)声。
结论
上文我们提供(gong)了(le)(le)多种(zhong)开关(guan)电源输(shu)出滤(lv)波器技术(shu)，文中为(wei)每一(yi)个拓扑提供(gong)了(le)(le)逐(zhu)步骤的(de)设(she)计过(guo)(guo)程(cheng)，缩短猜测时(shi)间(jian)并减少滤(lv)波器设(she)计中的(de)检查(cha)。文中的(de)公式都在一(yi)定(ding)程(cheng)度(du)上经过(guo)(guo)了(le)(le)简化，你可以(yi)通过(guo)(guo)了(le)(le)解二级输(shu)出滤(lv)波器可以(yi)达到的(de)程(cheng)度(du)而实(shi)现快速(su)设(she)计。
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