EDA365:開關電源 LC 濾波器設計

2021-01-15 EDA365網

開關電源 LC 濾波器的主要功能是濾除紋波,滿足 EMI 的需求。看是簡單,就電感和電容,設計實際中有很多要考慮的因素,電感電容的特性,還有布板和其他元件的分布參數。還要考慮濾波器的輸入輸出阻抗。

LC 濾波器有高通濾波器,低通濾波器和帶通濾波器。在開關電源中使用的主要是低通濾波器,還有帶通濾波器。常見基本低通濾波器的電路形式如下圖所示:

L 型濾波器的負載阻抗高,源阻抗低;倒 L 型濾波器的負載阻抗低,源阻抗高;T 型濾波器的負載阻抗低,源阻抗低;Π 型濾波器的負載阻抗高,源阻抗高。

在實際使用一般遵循這個規則,實際中阻抗很難估算特別是高頻段,由於寄生參數的原因,電路阻抗變化很大,電路阻抗還和電路的工作狀態有關,所以實際中根據實際調試為準。

作為 EMI 的濾波器為了增加插入損耗,要讓濾波輸入輸出阻抗處於失配。下面是開關電源輸入濾波器的阻抗匹配文獻供大家參考。

開關電源輸入濾波器的阻抗匹配.pdf

LC 濾波器在實際使用中單級不能滿足要求,還才用級聯合組合方式,常見的 EMI 濾波器的結構如下圖所示:

CX1、CX2 是 X 電容;LCM 是共模電感;LDM 是差模電感;CY1、CY2 是 Y 電容;X 電容和差模電感共同抑制差模幹擾,Y 電容和共模電感共同抑制共模幹擾;實際中共模電感存在漏感,漏感也有抑制差模幹擾的作用。

在電路中 X 電容和差模電感,共模電感的漏感構成 π 型濾波器,起頻率特性和 π 型濾波器相同。

在實際使用中當 X 電容容量大於 0.1UF 時,需要並聯放電電阻來滿足安規要求,電容容量越大,放電電阻阻值越小,電阻還要注意功率要滿足實際需要,通常用多個電阻並聯和串聯來滿足功率要求。以下是電源 EMI 濾波器的設計方法的文獻來自網絡供大家參考。

電源 EMI 濾波器的設計方法.pdf

網友提問

共模線圈選擇時的電感值如何來定?

根據需要抑制的頻率,利用共模電感的電感量和 Y 電容的諧振頻率來確定,實際中還要考慮元件分布參數和板的布局,所以很多是開始大概確定一個值,後面通過預測,再確定,與經驗有很大關係。

有的資料上有介紹和開關電源的頻率有關係:50KHZ 約 30MH,75KHZ 約 15MH,100KHZ 約 10MH。實際中電感量不是越大越好,我以前也是這種錯誤的認為,電感量越大,匝數越多,分布電容越大,高頻下反而不利,繞組電感是要儘量減小分布電容。共模電感的電感量往往和 Y 電容的容量一起考慮,電容容量大,電感的電感量就可以小,但是電容的容量不能過大,與安規要求的漏電電流大小有關係。

工程師解答

共模電感設計

設計共模電感時還要注意磁芯材質的選擇,具體根據實際需要來確定,不是 Br 越大越好,和工作溫度和帶寬都有一定的關係。

實際中由於兩個繞組不完全對稱,還存在漏感,漏感是好處可以抑制差模幹擾,不利是方面要注意不要出現磁飽和,由此可見漏感的存在是矛盾的,從抑制差模幹擾來看是越大越好,從避免磁飽和來看是越小越好,個人認為是小好,抑制差模幹擾可以用差模濾波器來完成,實際用要想漏感小可以用磁環,但是電感量不能做到很大,要漏感大點可以用 EE 和 U 型磁芯。根據實際需要可能用兩個不同電感量是共模濾波器來抑制不同的頻率。

關於線徑的選取,可以按照電流密度 4-8A/平方毫米來選取,電流的大小和輸出功率,電源效率,PF 值有關:I=Po/η/PF/Vi。

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