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開關(guān)電源濾波仿真設(shè)計(jì)怎么整?實(shí)例講解來幫你

發(fā)布時間:2015-03-05 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】本篇文章以輸出濾波、輸入濾波、逆變輸出濾波三個設(shè)計(jì)為例,對其進(jìn)行了非常全面的分析和總結(jié)。用實(shí)例化的方式講解了開關(guān)電源中變壓器濾波仿真的知識,希望大家在閱讀過本篇文章之后,能對這方面的知識有進(jìn)一步的了解。
 
之前小編為大家整理了開關(guān)電源中變壓器的濾波仿真設(shè)計(jì),其主要對理論方面進(jìn)行了介紹,在本篇文章當(dāng)中,將對濾波設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)際的舉例,并對每種方法添加小結(jié),方便初學(xué)者學(xué)習(xí)。
 
舉例一:(典型)輸出濾波
 
以50KHz、100W(120W)反激電源為例,當(dāng)前紋波指標(biāo)為30mV。
(典型)輸出濾波
圖1
 
要求:達(dá)到2mV的紋波精度。
 
方法一:加大輸出濾波電容
 
將現(xiàn)用濾波電容C2的2200uF增加15倍,即33mF,輸出紋波則對應(yīng)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,那么可使用第二種方法。
 
方法二:增加一級LC濾波
增加一級LC濾波
圖2
 
當(dāng)Co1=Co2=470uF時,配合一個5A1.3uH的電感,輸出(與PWM同頻的)紋波即可下降到1.6mV以下?;蛘?,當(dāng)Co1=Co2=330uF時,配合一個5A2.2uH的電感,輸出紋波即可下降到2.0mV左右。
 
可見,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的。
電感的設(shè)計(jì)參數(shù)
圖3
 
再來看濾波電感的工況,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(yīng),用普通鐵粉芯磁環(huán)單股繞制即可。
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下面是這個電感的設(shè)計(jì)參數(shù):
電感的設(shè)計(jì)參數(shù)
圖4
 
小結(jié)
 
在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡(luò)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。因此這里有三個需要注意的地方。
 
第一、工程師應(yīng)該隨時想到:“我那個濾波電容是不是應(yīng)該分成二個,中間插個小工字?”而且不用算,肯定比單電容好。
 
第二、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。
 
第三、既然不增加成本(甚至降低成本)就能夠?qū)崿F(xiàn),因此在拓?fù)淅锩妫ǖ碾姼猩匣蛘呖刂颇J缴希┤ゴ蛑饕鉁p少紋波就是一件既費(fèi)力又不討好的事情,什么“某某拓?fù)洹⒛衬衬J郊y波大”的問題也不再應(yīng)是問題。
 
舉例二:逆變輸出濾波
 
逆變電源輸出濾波的特殊性在于:逆變電源總希望一個最小的Cout。如果Cout太大,在輕載或者空載狀態(tài)很難保證輸出波形的正確。因此,逆變器的輸出濾波問題歸結(jié)為:如何用一個最小的Cout獲得最好的濾波效果。
 
現(xiàn)在就按照HolyFaith提出的5KW單相逆變器(載波20K、輸出220VAC、50Hz)為例,設(shè)計(jì)這個濾波。為簡化問題就不去做SPWM驅(qū)動了,大致擬訂一個全橋逆變的運(yùn)行參數(shù),仿真電路如下:
仿真電路
圖5
 
輸入電壓400VDC。輸出220VDC5KW,負(fù)載電阻Rz=9.68Ω,給出正確的驅(qū)動邏輯(正半周關(guān)閉Q2、Q3),調(diào)整占空直到輸出峰值電壓311V。可得到輸出紋波參數(shù)。
 
電路中有2個電感,l1是拓?fù)鋬δ茈姼?,l2是濾波電感,兩電感雖然工況不同,但是都工作在大直流偏置狀態(tài),偏置電流基本相當(dāng)。因此,可以先采用相等的電感量進(jìn)行仿真,這樣2個電感的磁、銅量大致相當(dāng)。
 
C1、C2是濾波電容,其大小影響調(diào)節(jié)性能,不能太大,暫時擬訂一個值、且相等。
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不同的LC對應(yīng)不同的濾波效果,以紋波指標(biāo)Vpp<1V(大致與10位AD匹配)為例,可得到l1=l2=400uH、C1=C2=3.3uF這一組配合。
圖6
 
如圖6所示,輸出總電容=6.6uF,輸出紋波0.85V,l1峰值電流37A,l2峰值電流32A。

電感設(shè)計(jì)
 
環(huán)數(shù)為11的話,盡量采用鐵硅鋁,因?yàn)椴蝗菀罪柡停杀疽膊桓?。?jīng)過仿真和計(jì)算配合運(yùn)算,得到如下中間設(shè)計(jì)成果:l1環(huán)可以用導(dǎo)磁率為26、型號為77191的鐵硅鋁環(huán)2~6只制作,有關(guān)參數(shù)如圖7。
 
l2環(huán)可以考慮與l1同樣尺寸的鐵粉芯磁環(huán)制作。即外徑57.2mm、型號T225-52的藍(lán)綠環(huán)2~6只。這里,“同樣尺寸”不是設(shè)計(jì)優(yōu)化需要,而是一種心理的、感官的合理性,或許暗藏成本、效率的合理性,如果濾波電感比主電感還大,感覺就喧賓奪主了。
參數(shù)
圖7
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電容的設(shè)計(jì)
 
電感設(shè)計(jì)是以逆變輸出的峰值電壓為設(shè)計(jì)工況,因?yàn)檫@個工況產(chǎn)生最大的電流峰值,決定了電感的極限特征。然而,由于逆變輸出峰值電壓時占空比最大,不一定是紋波最大,因此,電容的設(shè)計(jì)應(yīng)該以紋波最大的工況為設(shè)計(jì)依據(jù)。
 
以三只磁環(huán)疊繞的電感為例,仿真找出輸出紋波最大值大約發(fā)生在占空比=0.8時。
 
不同的磁性材料、電路和電感參數(shù),最大紋波發(fā)生的占空是不同的。更重要的是,不同的電感需要不同的電容配合才能達(dá)到需要的紋波。
 
下面是滿足1V紋波指標(biāo)上述4種電感需要的電容配合:
4種電感需要的電容配合
圖8
 
舉例三:輸入濾波網(wǎng)絡(luò)
輸入濾波網(wǎng)絡(luò)
圖9
 
這里輸入端的情況與輸出端有所不同。如果輸入是電流源,Cin的存在是電壓型拓?fù)浔仨毜?,Cin可理解為單純的二端電壓濾波網(wǎng)絡(luò),更復(fù)雜的三端或者四端濾波也可以就此展開。
 
而一般情況下,輸入是電壓源(而且不是理想的電壓源,有內(nèi)阻),這就引發(fā)了以下問題。
 
1、電壓源與電壓型拓?fù)涫窍噙m應(yīng)的,Cin似乎是多余的,依靠Cin針對紋波電壓的濾波的必要性就成了問題。
 
2、電壓源與Cin是沖突的,因?yàn)镃in也可以看成是電壓源,而兩個電壓源的并聯(lián)是不允許的。就是說,Cin不能太大。
 
3、對于AC/DC變換,必須用很大的Cin才能獲得穩(wěn)定的母線電壓,這時就要軟啟動。
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因此,針對電壓型拓?fù)漭斎攵说臑V波更多的是對于紋波電流(而不是電壓)的濾波,而且與電壓源直接并聯(lián)的Cin的大小受到了限制。
 
然而,輸入端濾波的任務(wù)卻是很繁重的,輸入濾波的重要性不僅體現(xiàn)在它必須給電源變換器提供一個穩(wěn)定的母線電壓,而且(或者是更重要的)它必須盡可能地減少電源變換器對一次電源的(紋波電流的)沖擊和干擾。
 
這種干擾隨著拓?fù)涞牟煌黠@區(qū)分為共模干擾和差模干擾,一般情況是:
 
不隔離電路以差模干擾為主,共模干擾較少或者沒有,沒有的辦法也很簡單,全部接地(包括外殼和散熱器)。隔離電路除了同樣程度的差模干擾外,還有可觀的共模干擾存在,必須共模濾波。
 
關(guān)于差模干擾和共模干擾的研究文獻(xiàn)很多,這里不多說,主要強(qiáng)調(diào)一下基本的應(yīng)對思路:
 
1、可以不采?。ɑ蛘呱俨扇。┎钅V波的情況是:上級電源輸出是個濾波電容(或者電池);自身電源有一個大的輸入濾波電容(比如直接整流的AC/DC變換的直流母線濾波電容);
 
2、除以上情況之外,均應(yīng)采取差模濾波措施。
 
3、共模濾波必須在盡可能采取其他減少共模干擾的措施基礎(chǔ)上實(shí)施。不要只靠共模濾波來解決問題。
 
4、由于共模濾波和差模濾波的工況完全不一樣,應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分、分別處理,反對混為一談的處理方式。
 
5、一般的方式是:共模濾波在前、差模濾波在后。即:
差模干擾和共模干擾
圖10
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