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開關電源電路中拓撲電感的Saber仿真輔助設計
一、(輸入輸出)濾波網(wǎng)絡在電路中的地位
拓撲電感(變壓器)是拓撲需要,濾波電感是紋波需要,只有當拓撲電感不足以滿足紋波要求時,才使用濾波電感(增加LC濾波網(wǎng)絡)。
這意味著:
1、如果拓撲電感滿足紋波要求,可以不要濾波電路。
2、當拓撲電感不能滿足紋波要求時,才另外單獨考慮濾波電路。
3、拓撲電感的主要任務是應對拓撲需要的能量轉(zhuǎn)移,而不是應對紋波的。
4、濾波電路的唯一任務就是濾波,不干別的。
二、濾波網(wǎng)絡與拓撲的關系
所有電壓型拓撲總可以這樣表達:
其中,輸入電容Cin、輸出電容Cout都的拓撲允許的,甚至是拓撲必須的。
同時,Cin、Cout也可以理解為拓撲本身的、自帶的濾波電路。
這里,虛線內(nèi)的濾波網(wǎng)絡現(xiàn)在是一個電容,也就是二端濾波網(wǎng)絡,但是它也可以是三端甚至四端網(wǎng)絡。
注意:圖中沒有任何電感,拓撲的電感(或者變壓器)在拓撲模塊內(nèi)沒有畫出來。三、輸出濾波網(wǎng)絡
對于大多數(shù)電壓型拓撲而言,輸出端總有一個電容Cout,而且這個電容就是濾波的意思。
一般情況下,我們總可以通過調(diào)整Cout的大小滿足任何需要的紋波要求。
然而在某些情況下,我們無法通過調(diào)整Cout的大小獲得需要的輸出紋波,比如:
1、滿足需要的紋波時,需要的Cout太大,成本和體積不允許。
2、在接近短路運行時(比如電焊機或者點焊機),普通電容的電流指標不能滿足要求。
3、某些應用不允許太大的Cout存在,比如逆變系統(tǒng),太大的Cout將導致控制的困難。
4、出于可靠性的考慮,在輸出端不使用電解電容。
5、高精度電源,由于電容ESR的存在,始終達不到要求的輸出紋波指標。
怎么辦呢?
其實很簡單:
1、找出能夠接受的電容
2、把這個電容一分為二
3、中間放一個適當?shù)碾姼?/P>
4、調(diào)整這個電感直到滿足輸出紋波的要求。
幾點說明:
1、一般電源都是輸出有功功率,即阻性負載,這時我們直接取Co1 = Co2濾波效果最好。
2、即使負載有部分感性成分,因為一般Co2都比較大,其容抗足以應付較大的感性負載沖擊,一般不必考慮加大Co2.
3、容性負載(比如電解電源和充電電源)時,可考慮減小Co2(即突出Co1),大幅度減小也沒有關系。
4、電焊電源可以(應該)取消Co2.
5、諧振負載(比如超聲波電源、感應加熱電源)慎用此法。
6、濾波就是濾波,別和拓撲里面的電感攪在一起,只有這樣才能達到最好的效果。
7、除特殊情況外,不建議使用兩極或多級LC濾波,在總電容量和總用銅用磁量相當?shù)那闆r下,單級濾波紋波效果最好,也不會產(chǎn)生駐波干擾。四、設計舉例(典型)輸出濾波
將就上一貼的50KHz、100W(120W)反激電源為例,當前紋波指標為30mV.
現(xiàn)在要求達到2mV的紋波精度。
方法一:加大輸出濾波電容:
將現(xiàn)用濾波電容C2的2200uF增加15倍,即33mF,輸出紋波則對應降低15倍(沒考慮ESR),即等于2mV.
如果覺得33mF25V的海量電解不好找,或者不合算,那么:
方法二:增加一級LC濾波:
當Co1 = Co2 = 470uF時,配合一個5A 1.3uH的電感,輸出(與PWM同頻的)紋波即可下降到1.6mV以下。或者:
當Co1 = Co2 = 330uF時,配合一個5A 2.2uH的電感,輸出紋波即可下降到2.0 mV左右?梢,即使增加一點點LC濾波。對輸出紋波、成本、體積的改善都是非常顯著的。
再來看這個濾波電感的工況:
電流的直流成分5.0A,交流成分0.1A左右,大約只占2%.
也就是說,這個電感基本上就是個直流偏電感,交流成分甚微。這意味著可以不必使用高級材料,也不考慮集膚效應,用普通鐵粉芯磁環(huán)單股繞制即可。
下面是這個電感的設計參數(shù):
小結(jié)
在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡是很簡單的事情,只要將濾波電容一分為二、(隨便)插入一個電感就能使(不插入電感等效于原電路)濾波效果顯著提升,而且效果總是比單電容濾波效果好。因此:
1、工程師應該隨時想到:“我那個濾波電容是不是應該分成二個,中間插個小工字?”而且不用算,肯定比單電容好。
2、此法在同等情況下提高濾波效果,或者在同等濾波效果下降低成本、縮小體積,甚至縮小PCB面積。
3、既然不增加成本(甚至降低成本)就能夠?qū)崿F(xiàn),因此在拓撲里面(的電感上或者控制模式上)去打主意減少紋波就是一件既費力又不討好的事情,什么“某某拓撲、某某模式紋波大”的問題也不再應是問題。
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