電源設(shè)計小貼士3：開關(guān)電源阻尼輸入濾波器

開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器，因為它們更高效，而開關(guān)拓撲結(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動態(tài)阻抗相結(jié)合，可以誘發(fā)振蕩問題。本文將闡述如何避免此類問題的出現(xiàn)。

一般而言，所有的電源都在一個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顯示的是一個開關(guān)電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

負輸入阻抗

電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率，其從本質(zhì)上定義了電源的動態(tài)阻抗。這根線的斜率等于負輸入電壓除以輸入電流。也就是說，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。

該近似值有些過于簡單，因為控制環(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但是很多時候，當涉及電流模式控制時這種簡單近似值就已足夠了。

圖1 開關(guān)電源表現(xiàn)出的負阻抗

為什么需要輸入濾波器

開關(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中斷系統(tǒng)的運行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個如圖 2 所示類型的濾波器。電容為功率級的開關(guān)電流提供了一個低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開關(guān)電流最小化。在低頻率時，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時，電感和電容實質(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首先確定濾波器 (Zo) 的特性阻抗來估算得出，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，對電容的等效串聯(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，開關(guān)的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會出現(xiàn)問題。圖3顯示的是在一個電壓驅(qū)動串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個電阻。這種情況下，輸出電壓趨向于無窮大。當您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負電阻時，您也就會面臨一個類似的電源系統(tǒng)情況；這時，電路往往就會出現(xiàn)振蕩。

圖3 與其負阻抗耦合的開關(guān)諧振濾波器可引起不必要的振蕩

設(shè)計穩(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載(即最低輸入阻抗)狀態(tài)下達到這一目標。

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，以及其如何同開關(guān)調(diào)節(jié)器的負輸入阻抗相互作用。在極端情況下，這些阻抗振幅可以相等，但是其符號相反從而構(gòu)成了一個振蕩器。業(yè)界通用的標準是輸入濾波器的源極阻抗應(yīng)至少比開關(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)。正如我們上個月討論的那樣，在諧振附近，這兩個組件的源極阻抗會非常高，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，這樣做會導(dǎo)致功率損耗過高。另一種方法是在濾波器電感的兩端添加一個串聯(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，一旦選擇了四個其他電路組件，那么就會有一個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。紅色曲線表示過大的阻尼電阻。請思考一下極端的情況，如果阻尼電阻器開啟，那么峰值可能會非常的高，且僅由 CO 和 LO 來設(shè)定。藍色曲線表示阻尼電阻過低。如果電阻被短路，則諧振可由兩個電容和電感的并聯(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算方法（見參考文獻 1）就可以很輕松地得到該值。

圖5 在給定 CD-CO 比的情況下，有一個最佳阻尼電阻

選擇組件

在選擇阻尼組件時，圖6非常有用。該圖是通過使用 RD Middlebrook 建立的閉型解得到的。橫坐標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。縱坐標值有兩個：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, 您便可以計算得到一個橫坐標值。例如，一個具有 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。如果它正對一個 12V 最小輸入的 12W 電源進行濾波，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 RD/ZO = 3，也即 3 Ω。