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开关电源输入滤波器设计 作者：Michele Sclocchi Michele.Sclocchi@ Application Engineer, National Semiconductor 对于所有的工程师来讲，第一次设计开关电源，总是认为是一门魔术。幸运地是当今市场上提供了各种工具来帮助设计师们。美国国家半导体公司首家提供“Simple Switcher”软件和在线仿真工具，得以进行开关电源的设计和仿真。新型超快 MOSFET 和同步高开关频率 PWM 控制器，允许实现高效和更小尺寸的开关电源。如果输入滤波器设计不当，所有这些优点都可能丧失。超大尺寸的输入滤波器会不必要地增加造价、体积，并危及系统的总体性能。本文阐述了如何选择和设计开关电源用的最佳化的输入滤波器。 开关电源的输入滤波器有两个作用。一是防止电磁干扰，该干扰由开关源产生，并传递到电源线路，从而影响到其它设备。输入滤波器的第二个作用是防止电源线路上的高频电压馈通到电源输出端。无源LC滤波器方案所具有的特性达到了上述两个滤波要求。设计输入滤波器的目的就是是在滤波器的总体性能和尺寸造价之间达到最好的折衷。 无阻尼LC滤波器 第一个简单的无源滤波器方案是图１所示无阻尼 LC 无源滤波器。理想情况下, 在截止频率 f0 后,２阶滤波器提供12dB每倍频程的衰减, 对 f0　之前的频率没有增益，在谐振频率处呈现一个峰值。 　截止频率[Hz] (谐振频率)  图１　无阻尼 LC 滤波器 图２ 不同阻尼系数的L-C 滤波器的传递函数 在设计一个２阶滤波器时所包含的一个关键因数是在转折频率 f0　处的衰减特性。靠近截止频率的增益可能非常大，在那段频率的噪声会被放大。 为了对这个问题的本质有更好的理解，必须分析滤波器的传递函数: 这个传递函数可以通过频率表达式（弧度）重新写成为： ； 截止频率（弧度）； 阻尼系数。 传递函数呈现两个负极点：。 阻尼系数 ζ 描述在转折频率处的增益。对应 ζ 1，两个极点都是复数，虚部给出在谐振频率处的峰值特点。随着阻尼因数变小，转折频率处的增益变大，对于零阻尼的理想极限，增益将变为无穷大，但实际元件的内阻限制了最大增益。当阻尼因数等于１时，虚部分量为零，不存在峰值。 不良的输入滤波器阻尼因数可能会对系统的总体性能有负面的影响。它可能影响反馈控制环路的传递函数，引起在电源输出端有某种振荡。 Middlebrook的特别元定理（extra element theorem）[2]指出，如果输入滤波器的输出阻抗曲线远低于变换器的输入阻抗曲线，输入滤波器不会显著改变变换器的环路增益。 换言之，为了避免振荡，重要的是要保持滤波器的峰值输出阻抗在变换器输入阻抗之下（见图３）。 从设计观点来说，滤波器尺寸和性能之间的一个良好的折衷是在最小阻尼因数为1/√2时获得的，在转折频率处它提供3 dB的衰减，有利于控制最终控制系统的稳定性。 图3：输入滤波器的输出阻抗，开关电源的输入阻抗：两条曲线应很好的分离 并联阻尼滤波器: 在大多数情况下图１所示的无阻尼２阶滤波器并不容易满足阻尼要求，因此，提出了阻尼方案。 图4示出一个阻尼滤波器，由一个电阻 Rd 和一个电容 Cd 串联，然后与滤波器的电容器 Cf 并联。 电阻 Rd 的作用是降低滤波器在截止频率处的峰值阻抗。电容器 Cd 阻断输入电压的直流分量，避免在 Rd 上的功率损耗。  图４：并联阻尼滤波器 在谐振频率处，电容器 Cd 应具有比 Rd 更低的阻抗，应比滤波电容器有更大的容量，以便不影响主 RL 滤波器的截止点。 滤波器的输出阻抗可根据三个阻抗Z1, Z2, Z3进行计算出： 传递函数是： 式中 Zeq2.3 是 Z2 同 Z3 的并联。 这个传递函数呈现一个零点和三个极点，其中，零点和第一个极点相互紧靠，位于频率 ω ≈ 1/RdCd处。另两个主导极点坐落于截止频率 ωο=1/√LC处。没有折衷时结果为  式中。 忽略零点后该公式可近似为一个２阶滤波器：(对于高于 ω ≈ 1/Rd Cd 的那些频率，项(1+Rd Cd s) ≈ Rd Cd s ) 。 并联阻尼滤波器的近似公式与无阻尼滤波器的传递函数相同；唯一的不同是阻尼因数ζ为 要用 Rd 电阻来进行计算。 业已证实，对于一个并联阻尼滤波器，在阻尼因数等于： 时，峰值被最小化， 将上述两个方程式组合，最佳阻尼电阻值 Rd 等于： 　　 这里，阻断电容器 Cd 等于滤波器电容器 C 的４倍。 图 5 和图 6 分别示出并联阻尼滤波器的输出阻抗和传递函数。  图５　并联阻尼滤波器的输出阻抗 图６　并联阻尼滤波器的传递函数 串联阻尼滤波器: 获得阻尼滤波器的另一种方法是用一个电阻 Rd 同电感 Ld