開(kāi)關(guān)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(luò )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(mǎn)足紋波要求時(shí),才使用濾波電感(增加LC濾波網(wǎng)絡(luò ))。

    這意味著(zhù):

    1、如果拓撲電感滿(mǎn)足紋波要求,可以不要濾波電路。

    2、當拓撲電感不能滿(mǎn)足紋波要求時(shí),才另外單獨考慮濾波電路。

    3、拓撲電感的主要任務(wù)是應對拓撲需要的能量轉移,而不是應對紋波的。

    4、濾波電路的唯一任務(wù)就是濾波,不干別的。

    二、濾波網(wǎng)絡(luò )與拓撲的關(guān)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(shí),Cin、Cout也可以理解為拓撲本身的、自帶的濾波電路。

    這里,虛線(xiàn)內的濾波網(wǎng)絡(luò )現在是一個(gè)電容,也就是二端濾波網(wǎng)絡(luò ),但是它也可以是三端甚至四端網(wǎng)絡(luò )。

    注意:圖中沒(méi)有任何電感,拓撲的電感(或者變壓器)在拓撲模塊內沒(méi)有畫(huà)出來(lái)。三、輸出濾波網(wǎng)絡(luò )

    對于大多數電壓型拓撲而言,輸出端總有一個(gè)電容Cout,而且這個(gè)電容就是濾波的意思。

    一般情況下,我們總可以通過(guò)調整Cout的大小滿(mǎn)足任何需要的紋波要求。

    然而在某些情況下,我們無(wú)法通過(guò)調整Cout的大小獲得需要的輸出紋波,比如:

    1、滿(mǎn)足需要的紋波時(shí),需要的Cout太大,成本和體積不允許。

    2、在接近短路運行時(shí)(比如電焊機或者點(diǎn)焊機),普通電容的電流指標不能滿(mǎn)足要求。

    3、某些應用不允許太大的Cout存在,比如逆變系統,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(shí)很簡(jiǎn)單:

    1、找出能夠接受的電容

    2、把這個(gè)電容一分為二

    3、中間放一個(gè)適當的電感

    4、調整這個(gè)電感直到滿(mǎn)足輸出紋波的要求。

    幾點(diǎn)說(shuō)明:

    1、一般電源都是輸出有功功率,即阻性負載,這時(shí)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(shí),可考慮減小Co2(即突出Co1),大幅度減小也沒(méi)有關(guān)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的情況下,單級濾波紋波效果最好,也不會(huì )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.


    現在要求達到2mV的紋波精度。

    方法一:加大輸出濾波電容:

    將現用濾波電容C2的2200uF增加15倍,即33mF,輸出紋波則對應降低15倍(沒(méi)考慮ESR),即等于2mV.

    如果覺(jué)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(shí),配合一個(gè)5A 1.3uH的電感,輸出(與PWM同頻的)紋波即可下降到1.6mV以下;蛘撸

    當Co1 = Co2 = 330uF時(shí),配合一個(gè)5A 2.2uH的電感,輸出紋波即可下降到2.0 mV左右?梢(jiàn),即使增加一點(diǎn)點(diǎn)LC濾波。對輸出紋波、成本、體積的改善都是非常顯著(zhù)的。


    再來(lái)看這個(gè)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(shuō),這個(gè)電感基本上就是個(gè)直流偏電感,交流成分甚微。這意味著(zhù)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(gè)電感的設計參數:

    小結

    在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡(luò )是很簡(jiǎn)單的事情,只要將濾波電容一分為二、(隨便)插入一個(gè)電感就能使(不插入電感等效于原電路)濾波效果顯著(zhù)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(shí)想到:“我那個(gè)濾波電容是不是應該分成二個(gè),中間插個(gè)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)就能夠實(shí)現,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(wèn)題也不再應是問(wèn)題。

 


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