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開關電源濾波器設計
開關電源濾波器設計
在有效濾波方面，開關電源給設計人員帶來了挑戰。首先，濾波器必須防止輸入電源線上的噪聲通過電源傳導到輸出端。其次，濾波器必須防止開關電路產生的噪聲出現在輸出端。第三，濾波器必須防止開關電路的噪聲通過電源傳導回輸入電源線。因此，開關模式電源提出了最多的問題，也是最考驗設計人員在電源濾波器設計方面的技能。
無源 RC 濾波器
可用的最基本的濾波器是 RC 濾波器。它適用于成本和組件尺寸受到重大限制的低功耗解決方案。然而，LC 濾波器將提供相當大的優勢，限制了 RC 濾波器在性能和效率方面的使用。
無源 LC 濾波器
無源 LC 濾波器可以在相對簡單的解決方案中實現輸入濾波所需的結果。設計人員可以權衡性能與組件尺寸和成本，以創建最佳解決方案。
電源電壓和開關電源輸入之間串聯的電感器與開關電源輸入兩端的電容器組合將用作無阻尼低通濾波器。元件值將決定濾波器的截止頻率和阻尼系數，阻尼系數決定截止頻率處的衰減特性。因此，設計人員需要確保選擇的值使得不良的阻尼系數不會導致開關電路控制環路內的振蕩。一個好的經驗法則是將最小阻尼系數設為 1/√2。
阻尼 LC 濾波器
在第一個主濾波電容器之后立即在開關電源的輸入端添加一個與電阻串聯的第二個電容器將改變濾波器，使其充當并聯阻尼低通濾波器。只要電阻器和第二個電容器的元件值選擇正確，電阻器就會降低濾波器在截止頻率處的峰值阻抗，而不會影響截止頻率。在諧振頻率下，第二個電容器的阻抗必須低于電阻器，但明顯大于主濾波電容器。
并聯阻尼低通濾波器的另一種選擇是串聯阻尼低通濾波器。這里，代替第二個電容器，與電阻器串聯的第二個電感器放置在第一個初級濾波電感器兩端。在這種情況下，在諧振頻率下，第二個電感器的阻抗必須低于電阻器。并聯阻尼低通濾波器相對于串聯阻尼低通濾波器的優勢在于它在高頻下具有明顯更好的性能，使其更適合開關電源。
復合 LC 濾波器
設計人員的一個缺點是 LC 濾波器通常需要相當大的組件，這些組件可能難以安裝在電路板上。一個簡單的解決方案是組合多個 LC 濾波器。例如，從無阻尼低通濾波器饋入并聯阻尼低通濾波器創建復合濾波器將增加組件數量，但需要更小的組件值，因此需要更小的組件。它還允許設計人員通過使用仿真工具優化值來調整更多因素來調整濾波器性能。
有源濾波器
在性能要求決定的情況下，有源濾波器可以帶來顯著的好處，但代價是增加設計復雜性以及組件成本、占位面積和數量。簡單來說，有源濾波器將提供除濾波功能之外的功率增益，通常使用運算放大器或“運算放大器”。通過串聯電阻進入運算放大器的輸入信號加上通過與電容器并聯的電阻路由的反饋將形成有源低通濾波器。有源濾波的優勢在于它在負載變化的情況下提供出色的輸出電壓調節。然而，缺點是有源濾波器在高頻方面有局限性，這在開關電源中很常見。這個缺點限制了它們在該應用中的用途。
元件選擇
電容器是開關電源濾波器中的關鍵組件，其性能可以決定任何濾波器設計的有效性。因此，選擇正確類型的濾波器至關重要，尤其是等效串聯電阻 (ESR) 和等效串聯電感 (ESL)，直接影響濾波器響應特性。
陶瓷電容器在開關電源應用中提供最佳的一般性能。此外，它們具有最低的 ESR 和 ESL，可產生最佳的紋波降低效果。它們在整個生命周期內提供最穩定的性能，并具有廣泛的溫度額定值。它們還具有廣泛的包裝形式。然而，它們的結構使它們最容易受到物理沖擊和振動的損壞，這可能是一個設計因素。
薄膜電容器在具有高電流要求的開關電源應用中提供最佳性能，同時仍然相對低成本和小尺寸。然而，它們的 ESR 和 ESL 高于等效的陶瓷電容器，并且它們對過壓條件的耐受性較差。
鋁電解電容器成本低且體積小，這使其成為設計人員最受歡迎的電容器類型。但是，它們具有相對較高的 ESR，這會顯著影響高頻性能。此外，它們的性能和電容會隨著組件的使用壽命而顯著降低。
一般而言，鉭電容器的性能優于鋁電解電容器，但單位成本更高。然而，它們不適合高頻或高壓應用，限制了它們在開關電源中的使用。