开关电源滤波仿真

2万 · 2015-3-15 16:01

举例一：（典型）输出滤波

以50KHz、100W（120W）反激电源为例，当前纹波指标为30mV。

图1

要求：达到2mV的纹波精度。

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方法一：加大输出滤波电容

将现用滤波电容C2的2200uF增加15倍，即33mF，输出纹波则对应降低15倍（没考虑ESR），即等于2mV。如果觉得33mF25V的海量电解不好找，或者不合算，那么可使用第二种方法。

方法二：增加一级LC滤波

图2

当Co1=Co2=470uF时，配合一个5A1.3uH的电感，输出（与PWM同频的）纹波即可下降到1.6mV以下。或者，当Co1=Co2=330uF时，配合一个5A2.2uH的电感，输出纹波即可下降到2.0mV左右。

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可见，即使增加一点点LC滤波。对输出纹波、成本、体积的改善都是非常显著的。

图3

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再来看滤波电感的工况，电流的直流成分5.0A，交流成分0.1A左右，大约只占2%。

也就是说，这个电感基本上就是个直流偏电感，交流成分甚微。这意味着可以不必使用高级材料，也不考虑集肤效应，用普通铁粉芯磁环单股绕制即可。

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下面是这个电感的设计参数：

图4

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小结

在输出端增加LC滤波网络是很简单的事情，只要将滤波电容一分为二、（随便）插入一个电感就能使（不插入电感等效于原电路）滤波效果显著提升，而且效果总是比单电容滤波效果好。因此这里有三个需要注意的地方。

第一、工程师应该随时想到：“我那个滤波电容是不是应该分成二个，中间插个小工字?”而且不用算，肯定比单电容好。

第二、此法在同等情况下提高滤波效果，或者在同等滤波效果下降低成本、缩小体积，甚至缩小PCB面积。

第三、既然不增加成本（甚至降低成本）就能够实现，因此在拓扑里面（的电感上或者控制模式上）去打主意减少纹波就是一件既费力又不讨好的事情，什么“某某拓扑、某某模式纹波大”的问题也不再应是问题。

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举例二：逆变输出滤波

逆变电源输出滤波的特殊性在于：逆变电源总希望一个最小的Cout。如果Cout太大，在轻载或者空载状态很难保证输出波形的正确。因此，逆变器的输出滤波问题归结为：如何用一个最小的Cout获得最好的滤波效果。

现在就按照HolyFaith提出的5KW单相逆变器（载波20K、输出220VAC、50Hz）为例，设计这个滤波。为简化问题就不去做SPWM驱动了，大致拟订一个全桥逆变的运行参数，仿真电路如下：

图5

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输入电压400VDC。输出220VDC5KW，负载电阻Rz=9.68Ω，给出正确的驱动逻辑（正半周关闭Q2、Q3），调整占空直到输出峰值电压311V。可得到输出纹波参数。

电路中有2个电感，l1是拓扑储能电感，l2是滤波电感，两电感虽然工况不同，但是都工作在大直流偏置状态，偏置电流基本相当。因此，可以先采用相等的电感量进行仿真，这样2个电感的磁、铜量大致相当。

C1、C2是滤波电容，其大小影响调节性能，不能太大，暂时拟订一个值、且相等。

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不同的LC对应不同的滤波效果，以纹波指标Vpp<1V（大致与10位AD匹配）为例，可得到l1=l2=400uH、C1=C2=3.3uF这一组配合。

图6

如图6所示，输出总电容=6.6uF，输出纹波0.85V，l1峰值电流37A，l2峰值电流32A。

2万 · 2015-3-15 16:03

电感设计

环数为11的话，尽量采用铁硅铝，因为不容易饱和，成本也不高。经过仿真和计算配合运算，得到如下中间设计成果：l1环可以用导磁率为26、型号为77191的铁硅铝环2~6只制作，有关参数如图7。

l2环可以考虑与l1同样尺寸的铁粉芯磁环制作。即外径57.2mm、型号T225-52的蓝绿环2~6只。这里，“同样尺寸”不是设计优化需要，而是一种心理的、感官的合理性，或许暗藏成本、效率的合理性，如果滤波电感比主电感还大，感觉就喧宾夺主了。

图7

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电容的设计

电感设计是以逆变输出的峰值电压为设计工况，因为这个工况产生最大的电流峰值，决定了电感的极限特征。然而，由于逆变输出峰值电压时占空比最大，不一定是纹波最大，因此，电容的设计应该以纹波最大的工况为设计依据。

以三只磁环叠绕的电感为例，仿真找出输出纹波最大值大约发生在占空比=0.8时。

不同的磁性材料、电路和电感参数，最大纹波发生的占空是不同的。更重要的是，不同的电感需要不同的电容配合才能达到需要的纹波。

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下面是满足1V纹波指标上述4种电感需要的电容配合：

图8

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举例三：输入滤波网络

图9

这里输入端的情况与输出端有所不同。如果输入是电流源，Cin的存在是电压型拓扑必须的，Cin可理解为单纯的二端电压滤波网络，更复杂的三端或者四端滤波也可以就此展开。

而一般情况下，输入是电压源（而且不是理想的电压源，有内阻），这就引发了以下问题。

2万 · 2015-3-15 16:04

1、电压源与电压型拓扑是相适应的，Cin似乎是多余的，依靠Cin针对纹波电压的滤波的必要性就成了问题。

2、电压源与Cin是冲突的，因为Cin也可以看成是电压源，而两个电压源的并联是不允许的。就是说，Cin不能太大。

3、对于AC/DC变换，必须用很大的Cin才能获得稳定的母线电压，这时就要软启动。

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因此，针对电压型拓扑输入端的滤波更多的是对于纹波电流（而不是电压）的滤波，而且与电压源直接并联的Cin的大小受到了限制。

然而，输入端滤波的任务却是很繁重的，输入滤波的重要性不仅体现在它必须给电源变换器提供一个稳定的母线电压，而且（或者是更重要的）它必须尽可能地减少电源变换器对一次电源的（纹波电流的）冲击和干扰。

这种干扰随着拓扑的不同明显区分为共模干扰和差模干扰，一般情况是：

不隔离电路以差模干扰为主，共模干扰较少或者没有，没有的办法也很简单，全部接地（包括外壳和散热器）。隔离电路除了同样程度的差模干扰外，还有可观的共模干扰存在，必须共模滤波。

2万 · 2015-3-15 16:04

关于差模干扰和共模干扰的研究文献很多，这里不多说，主要强调一下基本的应对思路：

1、可以不采取（或者少采取）差模滤波的情况是：上级电源输出是个滤波电容（或者电池）；自身电源有一个大的输入滤波电容（比如直接整流的AC/DC变换的直流母线滤波电容）；

2、除以上情况之外，均应采取差模滤波措施。

3、共模滤波必须在尽可能采取其他减少共模干扰的措施基础上实施。不要只靠共模滤波来解决问题。

4、由于共模滤波和差模滤波的工况完全不一样，应严格区分、分别处理，反对混为一谈的处理方式。

2万 · 2015-3-15 16:04

5、一般的方式是：共模滤波在前、差模滤波在后。即：

图10

开关电源滤波仿真

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