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大師手筆!如何巧用拓撲電感提升濾波效果

發(fā)布時間:2013-12-12 責任編輯:mikeliu

【導讀】在拓撲里面的電感上或者控制模式上去打主意減少紋波是一件既費力又不討好的事情,如果不增加成本甚至降低成本的情況下就能夠實現(xiàn)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,那自然是工程師們樂意學習的,來看看大師有什么高招吧!

濾波網(wǎng)絡與拓撲關系

(輸入輸出)濾波網(wǎng)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(wǎng)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。

濾波網(wǎng)絡與拓撲的關系:
所有電壓型拓撲總可以這樣表達:

 

大師手筆!如何巧用拓撲電感提升濾波效果

 
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(wǎng)絡現(xiàn)在是一個電容,也就是二端濾波網(wǎng)絡,但是它也可以是三端甚至四端網(wǎng)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。
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輸出濾波網(wǎng)絡

對于大多數(shù)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(tǒng),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?shù)碾姼?br /> 4、調整這個電感直到滿足輸出紋波的要求。

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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濾波效果最好。
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,只有這樣才能達到最好的效果。
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?shù)那闆r下,單級濾波紋波效果最好,也不會產生駐波干擾。
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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。

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現(xiàn)在要求達到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.

方法二:增加一級LC濾波:

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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?;蛘撸?br /> 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??梢?,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(huán)單股繞制即可。
下面是這個電感的設計參數(shù):

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小結

其實呢,我們在輸出端增加LC濾波網(wǎng)絡是很簡單的事情,直接把濾波電容一分為二、(隨便)然后插入一個電感(不插入電感等效于原電路),就會發(fā)現(xiàn)一個奇妙的效果,那就是濾波效果顯著提升,而且效果總是比單電容濾波效果好。因此,工程師們應該要隨時變換思維,如果我把濾波電容分成兩個會怎么樣,會不會更好?這樣既提高了濾波效果,又降低了成本。不用算,肯定比單電容好。

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