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开关电源滤波器设计
开关电源滤波器设计
在有效滤波方面，开关电源给设计人员带来了挑战。首先，滤波器必须防止输入电源线上的噪声通过电源传导到输出端。其次，滤波器必须防止开关电路产生的噪声出现在输出端。第三，滤波器必须防止开关电路的噪声通过电源传导回输入电源线。因此，开关模式电源提出了最多的问题，也是最考验设计人员在电源滤波器设计方面的技能。
无源 RC 滤波器
可用的最基本的滤波器是 RC 滤波器。它适用于成本和组件尺寸受到重大限制的低功耗解决方案。然而，LC 滤波器将提供相当大的优势，限制了 RC 滤波器在性能和效率方面的使用。
无源 LC 滤波器
无源 LC 滤波器可以在相对简单的解决方案中实现输入滤波所需的结果。设计人员可以权衡性能与组件尺寸和成本，以创建最佳解决方案。
电源电压和开关电源输入之间串联的电感器与开关电源输入两端的电容器组合将用作无阻尼低通滤波器。元件值将决定滤波器的截止频率和阻尼系数，阻尼系数决定截止频率处的衰减特性。因此，设计人员需要确保选择的值使得不良的阻尼系数不会导致开关电路控制环路内的振荡。一个好的经验法则是将最小阻尼系数设为 1/√2。
阻尼 LC 滤波器
在第一个主滤波电容器之后立即在开关电源的输入端添加一个与电阻串联的第二个电容器将改变滤波器，使其充当并联阻尼低通滤波器。只要电阻器和第二个电容器的元件值选择正确，电阻器就会降低滤波器在截止频率处的峰值阻抗，而不会影响截止频率。在谐振频率下，第二个电容器的阻抗必须低于电阻器，但明显大于主滤波电容器。
并联阻尼低通滤波器的另一种选择是串联阻尼低通滤波器。这里，代替第二个电容器，与电阻器串联的第二个电感器放置在第一个初级滤波电感器两端。在这种情况下，在谐振频率下，第二个电感器的阻抗必须低于电阻器。并联阻尼低通滤波器相对于串联阻尼低通滤波器的优势在于它在高频下具有明显更好的性能，使其更适合开关电源。
复合 LC 滤波器
设计人员的一个缺点是 LC 滤波器通常需要相当大的组件，这些组件可能难以安装在电路板上。一个简单的解决方案是组合多个 LC 滤波器。例如，从无阻尼低通滤波器馈入并联阻尼低通滤波器创建复合滤波器将增加组件数量，但需要更小的组件值，因此需要更小的组件。它还允许设计人员通过使用仿真工具优化值来调整更多因素来调整滤波器性能。
有源滤波器
在性能要求决定的情况下，有源滤波器可以带来显着的好处，但代价是增加设计复杂性以及组件成本、占位面积和数量。简单来说，有源滤波器将提供除滤波功能之外的功率增益，通常使用运算放大器或“运算放大器”。通过串联电阻进入运算放大器的输入信号加上通过与电容器并联的电阻路由的反馈将形成有源低通滤波器。有源滤波的优势在于它在负载变化的情况下提供出色的输出电压调节。然而，缺点是有源滤波器在高频方面有局限性，这在开关电源中很常见。这个缺点限制了它们在该应用中的用途。
元件选择
电容器是开关电源滤波器中的关键组件，其性能可以决定任何滤波器设计的有效性。因此，选择正确类型的滤波器至关重要，尤其是等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)，直接影响滤波器响应特性。
陶瓷电容器在开关电源应用中提供最佳的一般性能。此外，它们具有最低的 ESR 和 ESL，可产生最佳的纹波降低效果。它们在整个生命周期内提供最稳定的性能，并具有广泛的温度额定值。它们还具有广泛的包装形式。然而，它们的结构使它们最容易受到物理冲击和振动的损坏，这可能是一个设计因素。
薄膜电容器在具有高电流要求的开关电源应用中提供最佳性能，同时仍然相对低成本和小尺寸。然而，它们的 ESR 和 ESL 高于等效的陶瓷电容器，并且它们对过压条件的耐受性较差。
铝电解电容器成本低且体积小，这使其成为设计人员最受欢迎的电容器类型。但是，它们具有相对较高的 ESR，这会显着影响高频性能。此外，它们的性能和电容会随着组件的使用寿命而显着降低。
一般而言，钽电容器的性能优于铝电解电容器，但单位成本更高。然而，它们不适合高频或高压应用，限制了它们在开关电源中的使用。