电源设计小贴士 3:阻尼输入滤波器(第一部分)

2009年01月16日 10:01    虞美人
关键词: 电源设计 , 滤波器 , 阻尼
开关调节器通常优于线性调节器,因为它们更高效,而开关拓扑结构则十分依赖输入滤波器。这种电路元件与电源的典型负动态阻抗相结合,可以诱发振荡问题。本文将阐述如何避免此类问题的出现。

一般而言,所有的电源都在一个给定输入范围保持其效率。因此,输入功率或多或少地与输入电压水平保持恒定。图 1 显示的是一个开关电源的特征。随着电压的下降,电流不断上升。



图 1 开关电源表现出的负阻抗

负输入阻抗

电压-电流线呈现出一定的斜率,其从本质上定义了电源的动态阻抗。这根线的斜率等于负输入电压除以输入电流。也就是说,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。

该近似值有些过于简单,因为控制环路影响了输入阻抗的频率响应。但是很多时候,当涉及电流模式控制时这种简单近似值就已足够了。

为什么需要输入滤波器

开关调节器输入电流为非连续电流,并且在输入电流得不到滤波的情况下其会中断系统的运行。大多数电源系统都集成了一个如图 2 所示类型的滤波器。电容为功率级的开关电流提供了一个低阻抗,而电感则为电容上的纹波电压提供了一个高阻抗。该滤波器的高阻抗使流入源极的开关电流最小化。在低频率时,该滤波器的源极阻抗等于电感阻抗。在您升高频率的同时,电感阻抗也随之增加。在极高频率时,输出电容分流阻抗。在中间频率时,电感和电容实质上就形成了一种并联谐振电路,从而使电源阻抗变高,呈现出较高的电阻

大多数情况下,峰值电源阻抗可以通过首先确定滤波器 (Zo) 的特性阻抗来估算得出,而滤波器特性阻抗等于电感除以电容所得值的平方根。这就是谐振下电感或者电容的阻抗。

接下来,对电容的等效串联电阻 (ESR) 和电感的电阻求和。这样便得到电路的 Q 值。峰值电源阻抗大约等于 Zo 乘以电路的 Q 值。



图 2 谐振时滤波器的高阻抗和高阻性

振荡

但是,开关的谐振滤波器与电源负阻抗耦合后会出现问题。图 3 显示的是在一个电压驱动串联电路中值相等、极性相反的两个电阻。这种情况下,输出电压趋向于无穷大。当您获得由谐振输入滤波器等效电阻所提供电源的负电阻时,您也就会面临一个类似的电源系统情况;这时,电路往往就会出现振荡。



图 3 与其负阻抗耦合的开关谐振滤波器可引起不必要的振荡

设计稳定电源系统的秘诀是保证系统电源阻抗始终大大小于电源的输入阻抗。我们需要在最小输入电压和最大负载(即最低输入阻抗)状态下达到这一目标。在电源设计小贴士 4中,我们将讨论控制电源阻抗的一些实用方法。
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