開關電源電路設計秘笈之阻尼輸入濾波系列

2021-01-08 電子產品世界

開關調節器通常優於線性調節器，因為它們更高效，而開關拓撲結構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阻抗相結合，可以誘發振蕩問題。本文將闡述如何避免此類問題的出現。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/174643.htm

一般而言，所有的電源都在一個給定輸入範圍保持其效率。因此，輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恆定。圖3.1顯示的是一個開關電源的特徵。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

圖3.1 開關電源表現出的負阻抗

負輸入阻抗

電壓-電流線呈現出一定的斜率，其從本質上定義了電源的動態阻抗。這根線的斜率等於負輸入電壓除以輸入電流。也就是說，由Pin=V?，可以得出V=Pin/I;並由此可得dV/dI=–Pin/I2或dV/dI≈–V/I。

該近似值有些過於簡單，因為控制環路影響了輸入阻抗的頻率響應。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。

為什麼需要輸入濾波器

開關調節器輸入電流為非連續電流，並且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統的運行。大多數電源系統都集成了一個如圖3.2所示類型的濾波器。電容為功率級的開關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電流最小化。在低頻率時，該濾波器的源極阻抗等於電感阻抗。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，電感和電容實質上就形成了一種並聯諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現出較高的電阻。

大多數情況下，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於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於Zo乘以電路的Q值。

但是，開關的諧振濾波器與電源負阻抗耦合後會出現問題。圖3.3顯示的是在一個電壓驅動串聯電路中值相等、極性相反的兩個電阻。這種情況下，輸出電壓趨向於無窮大。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情況;這時，電路往往就會出現振蕩。

設計穩定電源系統的秘訣是保證系統電源阻抗始終大大小於電源的輸入阻抗。我們需要在最小輸入電壓和最大負載(即最低輸入阻抗)狀態下達到這一目標。


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