電源設(shè)計(jì)小貼士3:開(kāi)關(guān)電源阻尼輸入濾波器
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開(kāi)關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器,因?yàn)樗鼈兏咝?,而開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則十分依賴輸入濾波器。這種電路元件與電源的典型負(fù)動(dòng)態(tài)阻抗相結(jié)合,可以誘發(fā)振蕩問(wèn)題。本文將闡述如何避免此類問(wèn)題的出現(xiàn)。
一般而言,所有的電源都在一個(gè)給定輸入范圍保持其效率。因此,輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖1顯示的是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的特征。隨著電壓的下降,電流不斷上升。
負(fù)輸入阻抗
電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率,其從本質(zhì)上定義了電源的動(dòng)態(tài)阻抗。這根線的斜率等于負(fù)輸入電壓除以輸入電流。也就是說(shuō),由 Pin = V·I,可以得出 V="Pin/I";并由此可得 dV/dI=–Pin/I2 或 dV/dI≈–V/I。
該近似值有些過(guò)于簡(jiǎn)單,因?yàn)榭刂骗h(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但是很多時(shí)候,當(dāng)涉及電流模式控制時(shí)這種簡(jiǎn)單近似值就已足夠了。
圖1 開(kāi)關(guān)電源表現(xiàn)出的負(fù)阻抗
為什么需要輸入濾波器
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流,并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會(huì)中斷系統(tǒng)的運(yùn)行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個(gè)如圖 2 所示類型的濾波器。電容為功率級(jí)的開(kāi)關(guān)電流提供了一個(gè)低阻抗,而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個(gè)高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開(kāi)關(guān)電流最小化。在低頻率時(shí),該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時(shí),電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時(shí),輸出電容分流阻抗。在中間頻率時(shí),電感和電容實(shí)質(zhì)上就形成了一種并聯(lián)諧振電路,從而使電源阻抗變高,呈現(xiàn)出較高的電阻。
圖2 諧振時(shí)濾波器的高阻抗和高阻性
大多數(shù)情況下,峰值電源阻抗可以通過(guò)首先確定濾波器 (Zo) 的特性阻抗來(lái)估算得出,而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根。這就是諧振下電感或者電容的阻抗。接下來(lái),對(duì)電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感的電阻求和。這樣便得到電路的 Q 值。峰值電源阻抗大約等于Zo乘以電路的Q值。
振蕩
但是,開(kāi)關(guān)的諧振濾波器與電源負(fù)阻抗耦合后會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。圖3顯示的是在一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個(gè)電阻。這種情況下,輸出電壓趨向于無(wú)窮大。當(dāng)您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負(fù)電阻時(shí),您也就會(huì)面臨一個(gè)類似的電源系統(tǒng)情況;這時(shí),電路往往就會(huì)出現(xiàn)振蕩。
圖3 與其負(fù)阻抗耦合的開(kāi)關(guān)諧振濾波器可引起不必要的振蕩
設(shè)計(jì)穩(wěn)定電源系統(tǒng)的秘訣是保證系統(tǒng)電源阻抗始終大大小于電源的輸入阻抗。我們需要在最小輸入電壓和最大負(fù)載(即最低輸入阻抗)狀態(tài)下達(dá)到這一目標(biāo)。
在前面,我們討論了輸入濾波器的源極阻抗如何變得具有電阻性,以及其如何同開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的負(fù)輸入阻抗相互作用。在極端情況下,這些阻抗振幅可以相等,但是其符號(hào)相反從而構(gòu)成了一個(gè)振蕩器。業(yè)界通用的標(biāo)準(zhǔn)是輸入濾波器的源極阻抗應(yīng)至少比開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入阻抗低 6dB,作為最小化振蕩概率的安全裕度。
輸入濾波器設(shè)計(jì)通常以根據(jù)紋波電流額定值或保持要求選擇輸入電容(圖4所示 CO)開(kāi)始的。第二步通常包括根據(jù)系統(tǒng)的 EMI 要求選擇電感 (LO)。正如我們上個(gè)月討論的那樣,在諧振附近,這兩個(gè)組件的源極阻抗會(huì)非常高,從而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。圖4描述了一種控制這種阻抗的方法,其將串聯(lián)電阻 (RD) 和電容 (CD) 與輸入濾波器并聯(lián)放置。利用一個(gè)跨接 CO 的電阻,可以阻尼濾波器。但是,在大多數(shù)情況下,這樣做會(huì)導(dǎo)致功率損耗過(guò)高。另一種方法是在濾波器電感的兩端添加一個(gè)串聯(lián)連接的電感和電阻。
圖4 CD 和 RD 阻尼輸出濾波器源極阻抗
選擇阻尼電阻
有趣的是,一旦選擇了四個(gè)其他電路組件,那么就會(huì)有一個(gè)阻尼電阻的最佳選擇。圖 5顯示的是不同阻尼電阻情況下這類濾波器的輸出阻抗。紅色曲線表示過(guò)大的阻尼電阻。請(qǐng)思考一下極端的情況,如果阻尼電阻器開(kāi)啟,那么峰值可能會(huì)非常的高,且僅由 CO 和 LO 來(lái)設(shè)定。藍(lán)色曲線表示阻尼電阻過(guò)低。如果電阻被短路,則諧振可由兩個(gè)電容和電感的并聯(lián)組合共同設(shè)置。綠色曲線代表最佳阻尼值。利用一些包含閉型解的計(jì)算方法(見(jiàn)參考文獻(xiàn) 1)就可以很輕松地得到該值。
圖5 在給定 CD-CO 比的情況下,有一個(gè)最佳阻尼電阻
選擇組件
在選擇阻尼組件時(shí),圖6非常有用。該圖是通過(guò)使用 RD Middlebrook 建立的閉型解得到的。橫坐標(biāo)為阻尼濾波器輸出阻抗與未阻尼濾波器典型阻抗 (ZO = (LO/CO)1/2) 的比??v坐標(biāo)值有兩個(gè):阻尼電容與濾波器電容 (N) 的比;以及阻尼電阻同該典型阻抗的比。利用該圖,首先根據(jù)電路要求來(lái)選擇 LO 和 CO,從而得到 ZO。隨后,將最小電源輸入阻抗除以二,得到您的最大輸入濾波器源極阻抗 (6dB)。
圖6 選取 LO 和 CO 后,便可從最大允許源極阻抗范圍內(nèi)選擇 CD 和 RD
最小電源輸入阻抗等于 Vinmin2/Pmax。只需讀取阻尼電容與濾波器電容的比以及阻尼電阻與典型阻抗的比, 您便可以計(jì)算得到一個(gè)橫坐標(biāo)值。例如,一個(gè)具有 10µH 電感和 10µH 電容的濾波器具有 Zo = (10µH/10 µF)1/2 = 1Ω的典型阻抗。如果它正對(duì)一個(gè) 12V 最小輸入的 12W 電源進(jìn)行濾波,那么該電源輸入阻抗將為 Z = V2/P = 122/12 = 12Ω。這樣,最大源極阻抗應(yīng)等于該值的二分之一,也即 6 Ω?,F(xiàn)在,在 6/1 = 6 的 X 軸上輸入該圖,那么,CD/CO = 0.1,即 1 µF,同時(shí) RD/ZO = 3,也即 3 Ω。