开关电源输出滤波器：设计与仿真

2021-05-26

开关电源输出滤波器：设计与仿真

开关电源有多种形式，例如在大功率台式实验室电源中，或通过专用IC和无源元件嵌入到PCB中。设计这些系统的目的是确保以最小的噪声将稳定的DC电源输送到系统的其余部分。衰减来自整流的任何残留纹波的影响或消除输入上的任何噪声也是理想的选择。要保持输出无噪声和稳定，可能需要使用输出滤波器，该滤波器可以在PCB布局中使用无源器件来实现。

我展示如何使用开关电源输出滤波器来抑制输出噪声，以及如何使用一些仿真工具来优化滤波器设计以降低噪声。降低噪声取决于输出滤波器中的元件值和电路中的电感器的值。作为示例，让我们看一看降压-升压转换器拓扑，以了解如何为开关电源实现输出滤波器。

开始开关电源输出滤波器设计

DC / DC转换器（降压/升压或其他拓扑）上的输出滤波器是低通滤波器。尽管典型的方法是放置一个pi滤波器以将AC噪声分流到地，但这可以和分流电容器一样简单。这样做的原因是，开关转换器的功能是将AC-DC电源转换产生的低频纹波转换成开关晶体管产生的高频开关噪声。然后，输出滤波器会消除滤波器输出上的高频开关噪声，从而为负载提供干净的直流电源。

下图显示了具有功率PMOS晶体管的开关降压-升压转换器原理图（您可以使用NMOS并更改V1和V2极性）。我突出了两个部分：开关转换器部分（绿色）和输出滤波器部分（红色）。在该电路中，输出电容器是开关电源输出滤波器的一部分。该滤波器具有标准的pi滤波器拓扑，以提供低通滤波。

降压-升压转换器SMPS原理图，带输出滤波器。

最后，我们在PWM上具有以下参数：100 kHz开关频率，10 ns上升时间，30％占空比。与其关注于给出特定功率输出的PWM或无源值的允许范围，不如关注于使噪声最低的滤波器组件值的范围。

初始功率输出

下图显示了一个瞬态仿真，该仿真显示了电容器两端的电压（上图）和输送到负载的电流（下图）。根据此结果，我们可以将未过滤的输出（红色曲线，顶部图）与过滤的输出（蓝色曲线，顶部图）进行比较。该滤波器在清除转换器的开关噪声方面做得很不错。但是，当转换器从OFF切换到ON时，会有明显的低频瞬态响应。

从上面显示的DC / DC转换器电路输出的功率。

这种瞬态响应非常重要。实际上，瞬态过冲取决于PWM占空比和PWM信号的上升时间。在某些情况下，当转换器在两个电压状态之间切换时，即在两个PWM频率或占空比之间切换时，过冲可能会高达负载电流的50％。这可能会产生较大的电流尖峰，从而可能会损坏您的负载。

负载分量的值也会影响该电路中输出的纹波。在下图中，我展示了当负载电阻增加到1 MOhm时会发生什么，这对于模拟CMOS集成电路的输入阻抗是一个有用的值。从这里，我们可以看到输出上的真实纹波，这反映在负载电流中。

纹波负载为1 MOhm。

因此，我们希望衰减来自转换器电路的响应，或者重新设计滤波器部分，以免输出过冲时不会出现这样的问题。一种选择是通过增加一些电阻来直接增加一些阻尼。

添加用于阻尼的电阻

解决瞬态响应不足的问题的一种方法是在电容器C1和C2上增加一些阻尼。为此，我在电容器C1和C2中添加了1 Ohm电阻器以提供一定的阻尼，并且我正在驱动10 Ohm负载。这将使瞬态响应非常接近临界阻尼状态，并在仿真开始时在OFF和ON状态之间提供平稳的过渡。如果更改了PWM参数，则在两个电源输出状态之间会发生相同的平滑过渡。但是，如果电阻较大，则瞬态响应会变慢。

上面显示的DC / DC转换器电路的输出功率，加上阻尼和10欧姆负载。

这样做的一个小问题是我们损失了少量功率：流向负载的电流更少，输出电压略低。一些功率在RC部分的电阻上下降，从而导致一些额外的损耗。尽管电流很小，但在输出电流上也会有一些轻微的残留噪声。

如果使用1 MOhm的负载，我们会得到相同的响应，但是在C1 +（串联电阻）网络上的压降中会看到一些初始纹波。这是一个不错的响应，因为纹波不会反射到输出，但是仍然有相同的缓慢输出电流上升。如果您不需要通过反馈回路进行非常快速的调节，并且想要确保状态之间的平稳传递，则可以这样做。

上图所示的DC / DC转换器电路的输出功率，增加了阻尼，负载为1 MOhm。

在继续之前，我认为必须注意的是，尽管响应速度要慢得多，但我们会在约3 ms内辞去预期最终电流的〜95％，这仍然是一个相当快的开启时间。只是为了进行比较，某些商用电源的额定总接通时间为10倍。开启时间可能受其他组件（如PWM驱动器）支配，尤其是在有一个反馈环路提供精确控制的情况下。因此，即使打开时间看起来很慢，我们仍能以足够快的速度运行。

这里的一种选择是在不增加电阻的情况下重新设计我们的开关电源输出滤波电路，以产生相似的结果。

更改C1，C2和/或L2

此处的另一种选择是删除电阻器并更改C1 / C2和L2。修改C1和C2的问题在于，当您修改临界阻尼的条件时，输出端的最终纹波将受到这些电容器的值的影响。产生临界阻尼的条件是一个相当复杂的二次表达式，但是直觉应该在这里清楚：

如果电容器的值太低，则高频振荡会产生严重的阻尼不足响应。

如果电容器的值太高，我们的响应将非常缓慢，因为电容器需要很长时间才能充电到所需的DC电平。

您可能想知道；我们如何在pi滤波器中产生过冲的瞬态响应？实际上，由于存在多个电抗元件（2个电感器和2个电容器），我们在组合传递函数中有2个具有多个极点的LC滤波器。如果仔细观察以上结果，我们可以看到两个瞬态响应相互叠加。这些是来自L1和C1的开关LC响应（标准的降压-升压转换器响应），以及来自L2，C2和负载电阻的典型RLC响应。

一起调节L2和输出电容器是获得低输出纹波的另一种方法。在下图中，我在“模拟仪表板”中创建了频率扫描，以便在一系列电感值之间移动。在这里，我想限制自己在驱动10 Ohm负载时会在较小的组件中找到的实际电感。为了确保我尽可能接近临界阻尼，我将遍历C1 = C2和L2的不同值。我从较小的电容（1 uF）开始，然后扫描L2的值直至0.2 mH。对于1 MOhm负载，只需使用RLC电路中的关键阻尼条件遵循相同的步骤即可。

事实证明，L2的最佳电感值约为150-200 uH。有很多线绕电感器，其直流电流额定值超过〜1.5A。Vishay的IHV30EB150就是一个例子。

一系列L2值和10欧姆负载的功率输出。

过滤策略摘要

我们在这里学到了什么？我们从这些模拟中获得了一些见解，并可以从中得出几点建议：

您的滤波器设计在很大程度上取决于转换器的输出电容器值。如果输出电容器太小，则需要并联一个额外的电容器，以使截止频率足够小以提供噪声过滤。

我们仅研究了输出滤波器，但是将滤波放在输入上通常对于降低总噪声更为有效。基本上，这就是使用全波整流器上的输出电容器进行的操作：您正在尝试将稳定的DC电源馈入电源的电源转换部分。

pi滤波器的瞬态响应中有一个过大的现象，可能会很大。可以通过将电阻与电容器C1和C2串联放置或调整L2的值来以通常的方式对此进行阻尼。

添加阻尼时，请确保将所需的电阻与所用电容器的ESR值进行比较。还要注意，您会减慢电路的响应速度并牺牲一些功率。

由于瞬态响应期间负载上的电流尖峰取决于PWM参数，因此我们也可以采用这种方法来确定允许产生足够低噪声的PWM频率/上升时间范围。

进一步改进

重新设计后，要不断改善滤波器响应的最后一种选择是在滤波器之前和之后使用RC缓冲器。这将减弱响应并补偿输出电流上的纹波。请注意这一点，因为这样做可能会给滤波电路的传递函数增加另一个极点。此外，前后缓冲电路可能需要不同的电容值；输出侧通常使用稍大的电容器，以确保充分减少高频纹波。

完成您的SMPS原理图

在上面的示例中，我们仅显示了SMPS的转换器部分，并且还需要其他重要的电路块才能使SMPS正常工作。SMPS中需要的其他部分取决于最终应用程序以及系统中需要什么级别的控制或精度。在上面的示例中，我们没有包括一些其他必要的功能：

PWM生成：对于给定的PWM频率，要将输出电压设置为特定的电平，可以使用PWM发生器来确保输出电压为所需的电平。这可以像VCO电路一样简单，也可以使用专用的PWM发生器IC。

控制环路：某些电源拓扑，例如LLC谐振转换器，将需要一个大电流控制环路，在该环路中测量转换器的输出并调整PWM占空比或频率以将电压维持在所需的水平。带有基准电压的运算放大器是进行此调整的最简单方法，或者可以通过MCU以数字方式完成。您还可以使用专用的控制器芯片。

用户界面：系统可能需要某种方式来接受用户输入，并应用达到所需输出电压所需的PWM占空比/频率。最简单的方法是在MCU上实现的应用程序。

一些电源控制器组件将位于控制环路中，测量输出电压，并根据通过数字接口（通常为I2C）施加并由MCU实施的设置来调整PWM信号。