設計開關電源中使用的二級輸出濾波器（共6頁pdf下載）ADI工程師之作

ID:422141 · 發表于 2018-11-7 08:58

開關電源幾乎用于所有電子設備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價值，但是，它們最大的缺點就是高開關瞬態導致高輸出噪聲。這個缺點使它們無法用于以線性穩壓器供電為主的高性能模擬電路中。

實踐證明，在很多應用中，經過適當濾波的開關轉換器可以代替線性穩壓器從而產生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應用中，上游電源樹的某個地方也有可能存在開關電路。因此，有必要設計經過優化和阻尼處理的多級濾波器，來消除開關電源轉換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設計如何影響開關電源轉換器的補償也很重要。

本文示例電路將采用升壓轉換器，但結果可以直接應用于任意DC-DC轉換器。圖1所示為升壓轉換器在恒定電流模式(CCM)下的基本波形。

由于電容電荷的變化而導致的開關紋波(開關頻率)相比輸出開關的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對噪聲衰減的作用不大。

還有很多各類濾波器適合對此輸出濾波。本文將解釋每一種濾波器，并給出設計的每一個步驟。文中的公式并不嚴謹，且做了一些合理的假設，以便一定程度上簡化這些公式。仍然需要進行一些迭代，因為每一個元件都會影響其它元件的數值。ADIsimPower設計工具利用元件值(比如成本或尺寸)的線性化公式在實際選擇元件前進行優化，然后從成千上萬器件的數據庫中選出實際元件后對其輸出進行優化，從而避免了這個問題。但在剛開始進行設計時，這種程度的復雜性是沒有必要的。通過提供的計算公式，使用SIMPLIS仿真器——比如免費的ADIsimPE™——或者在實驗室工作臺上花費一些時間，就能以最少的精力得到滿意的設計。

開始設計濾波器前，考慮一下單級濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內，并將開關噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉換器噪聲較低，因為電源電感提供了很好的濾波能力。這些限制是因為，一旦紋波降低至μV級別，元件寄生和濾波器級之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級濾波器。然而，開關電源的基準電壓源一般不是噪聲最低的元件，并且常常受到抖動噪聲的影響。這些都導致了低頻噪聲(1 Hz至100 kHz)，通常不易濾除。因此，對于極低噪聲電源而言，使用單個二級濾波器然后在輸出端添加一個LDO可能更合適。

在更詳細地介紹各類濾波器的設計步驟前，部分在設計步驟中使用的各類濾波器的數值定義如下：

對于較高電流電源而言，將pi濾波器中的電阻以如圖4中的電感代替是有好處的。這種配置提供了極佳的紋波和開關噪聲抑制能力，并具有較低的功耗。問題在于，我們現在引入了一個額外的儲能電路，它可能產生諧振。這就有可能導致振蕩，使電源不穩定。因此，設計該濾波器的第一步是如何選擇阻尼濾波器。圖4顯示了三種可行的阻尼技術。添加RFILT具有額外成本和尺寸增加較少的優勢。阻尼電阻的損耗通常很少(甚至沒有)，哪怕大電源情況下都很小。缺點是，它會降低電感的并聯阻抗，從而大幅降低濾波器的有效性。第二種技術的優勢是濾波器性能最大化。如果需要采用全陶瓷設計，則RD可以是與陶瓷電容串聯的分立式電阻。否則需使用具有高ESR且物理尺寸較大的電容。這個額外的電容(CD)會大幅增加設計的成本和尺寸。阻尼技術3看上去具有極大的優勢，因為阻尼電容CE添加至輸出端，它可能對瞬態響應和輸出紋波性能有所助益。然而，這種技術成本最高，因為所需電容數量極大。此外，輸出端相對而言較多的電容會降低濾波器諧振頻率，進而減少轉換器可實現的帶寬——因此不建議使用第3種技術。對于ADIsimPower設計工具來說，我們采用第1種技術，因為它成本較低，且在自動化設計步驟中相對來說較為容易實現。
需注意的另一個問題是補償。盡管這可能不符合直覺，但把濾波器放在反饋環路內部幾乎一直都是更好的做法。這是因為，將其放在反饋環路內有助于在一定程度上抑制濾波器，消除直流負載偏移和濾波器的串聯電阻，同時能提供更好的瞬態響應、更低的振鈴。圖5顯示了一個升壓轉換器的波特圖，其在輸出端添加了LC濾波器輸出。

完整的pdf格式文檔51黑下載地址（共6頁）：

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ID:416240 · 發表于 2018-11-13 12:16

電源設計其實并不容易，正在學習中，學藝不精有些頭疼，加油，感謝分享啦！

ID:253767 · 發表于 2018-11-19 07:13

謝謝分享！！！

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