直流/直流转换器滤波器设计和稳定
开关直流/直流转换器生成一个很大的噪音在高频段,以至于过度的噪音会导致EMC失败,需要重新设计。处理噪声,标准的方法是添加过滤转换器的输出阶段。同样,如果下游从另一个转换器或整改阶段在大功率系统中,噪声在转换器的输入阶段和噪音返回到电源应该是有限的。FCC和CISPR 22进行排放限制在电力系统从150千赫至30 MHz,驱动创新的需要过滤和动力稳定性的解决方案。
广泛地说,设计师可以有两种方法解决这个挑战与噪声:
- 功率因数校正
- 输入和输出过滤
第一的是更多关于效率比噪音,虽然它被专家视为EMI进行控制的一个重要元素。第二个方法很常见,经常会出现在参考设计电力产品,在输入和输出。他们没告诉你的参考设计的输入/输出/控制回路传递函数必须被监控在设计这振荡瞬态响应是可以预防的。
在这篇文章中,我们将考察输出滤波器设计的DC / DC转换器从LC滤波器的角度来看,这是最常见的方法产生一个合理的低通滤波器阻带的滚边。这个话题的输入部分是更广泛和确保EMC相关合规,对将来的一篇文章中,我们将离开。
LC输出滤波器直流/直流转换器
片刻思考的典型巴克转换器。上有一个电容和电感所产生的输出级所需的直流输出加上一些涟漪覆盖在一个名义直流的水平。连同一个整流元件(二极管或晶体管),这些组件负责指挥switched-polarity电流直流平均电压设定的工作周期的开关PWM信号。
LC实际上是一个阶段低通滤波器,我们从不谈论它作为一个低通滤波器在实践中,因为每个人都专注于涟漪。然而,如果你增加电感或切换频率的大小,你会减少脉动通过增加阻抗被荡漾信号的输出。对于一个巴克转换器,我们可以看到在以下方程:
如果我们看一个例子buck变换器输出电容和电感L1值= 6.8哦,C1 = 10佛罗里达大学,这个简单的buck变换器的电路和传递函数看起来像下面的:
原始无阻尼LC输出级的传递函数简单的buck变换器。
注意,真正的传递函数将是有限的直流导电损失转换元素,电感绕组电阻和电容的ESR值。但重点是:输出滤波器将有一些可以严重欠阻尼的瞬态响应。在这种情况下,我们期望的瞬态响应和大约20 kHz振荡阻尼不足的。通常,在巴克转换器,有足够的阻力在输出和控制回路,以防止这些振荡。
如果你想加强你的能力LC输出阶段,简单的选择是使用一个更大的电感器和/或更高频率PWM信号。一个更复杂的方法,当然更有效地从噪声的角度来看,是使用一个额外的输出级LC滤波器。
输出滤波器的分析
当添加一个输出过滤器,我们的目标是确保你不添加一个新的极输出的传递函数相结合的阶段。当一个LC滤波电路被添加到一个输出滤波器开关转换器,你刚刚转化为一个二阶LC滤波器四阶LC滤波器。这看起来像下面的电路:
修改巴克转换器LC输出滤波器。
虽然最初的筛选阶段可能不稳定的设计没有问题,添加新的过滤阶段可以产生新的极点,这将是明显的结合滤波器的传递函数。一个例子与L1 = 6.8哦,C1 = 100超滤,L2 = 3,和C2 = 22 uF如下所示。
添加更多的L和C元素可以修改传递函数,通过引入新的两极。
较低频率瞬态可能是已经建设的补偿原来的转换器,特别是由于寄生在组件,特别是如果转换器驱动集成电路。新的更高的频率极呢?抑制其瞬态响应的解决方案是什么?
最简单的解决方案是通过添加一些阻尼使输出稳定。这是通过将一个小电阻与电容C2系列。在极端的情况下,你可能会添加一个小电阻C1 ESR很低。阻尼电阻的典型值大约是500 mΩ,尽管可能需要几个Ω如果这些振荡是很强的。添加这些电阻增量之后,检查修改后的滤波器响应的瞬态分析模拟。
控制回路是如何影响的
并不是所有的DC / DC转换器控制回路。然而,如果你的设备使用一个内部比较器和一次性计时器来跟踪和火引发设备的场效应晶体管的PWM信号,然后再将会有一个控制回路通过设备反馈销。也使用更复杂的反馈方法。高功率隔离开关转换器,比如LLC谐振转换器桥转换器,将使用一个复杂的反馈循环涉及当前的传感,紧随其后的是调整脉宽调制信号的占空比和相位跟踪所需的功率输出所需的水平。
总结
在所有情况下,我们可以通过过滤减少噪音,确保过滤器的稳定,防止创建一个新的极电路的输入、输出,或控制回路传递函数。最简单的方法是将输出级的瞬态响应几乎变成欠阻尼的政权。它花费的时间不会超过几Ω阻力的LC滤波器提供补偿和产生一个稳定的过滤器。这可能会干扰控制和跟踪滤波器的阻尼响应太慢了;典型的响应时间应在毫秒微秒。
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