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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,虛線內的濾波網絡現在是一個電容,也就是二端濾波網絡,但是它也可以是三端甚至四端網絡。

            注意:圖中沒有任何電感,拓撲的電感(或者變壓器)在拓撲模塊內沒有畫出來。三、輸出濾波網絡

            對于大多數電壓型拓撲而言,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,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、中間放一個適當的電感

            4、調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濾波效果較好。

            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,只有這樣才能達到較好的效果。

            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,單級濾波紋波效果較好,也不會產生駐波干擾。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。可見,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,用普通鐵粉芯磁環單股繞制即可。

            下面是這個電感的設計參數:

            小結

            在輸出端增加LC濾波網絡是很簡單的事情,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)就能夠實現,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”的問題也不再應是問題。

         


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         ^ 開關電源電路中拓撲電感的Saber仿真輔助設計

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