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大师手笔!如何巧用拓扑电感提升滤波效果

发布时间:2013-12-12 责任编辑:mikeliu

【导读】在拓扑里面的电感上或者控制模式上去打主意减少纹波是一件既费力又不讨好的事情,如果不增加成本甚至降低成本的情况下就能够实现提高滤波效果,或者在同等滤波效果下降低成本、缩小体积,甚至缩小PCB面积,那自然是工程师们乐意学习的,来看看大师有什么高招吧!

滤波网络与拓扑关系

(输入输出)滤波网络在电路中的地位,拓扑电感(变压器)是拓扑需要,滤波电感是纹波需要,只有当拓扑电感不足以满足纹波要求时,才使用滤波电感(增加LC滤波网络)。
这意味着:
1、如果拓扑电感满足纹波要求,可以不要滤波电路。
2、当拓扑电感不能满足纹波要求时,才另外单独考虑滤波电路。
3、拓扑电感的主要任务是应对拓扑需要的能量转移,而不是应对纹波的。
4、滤波电路的唯一任务就是滤波,不干别的。

滤波网络与拓扑的关系:
所有电压型拓扑总可以这样表达:

 

大师手笔!如何巧用拓扑电感提升滤波效果

 
其中,输入电容Cin、输出电容Cout都的拓扑允许的,甚至是拓扑必须的。
同时,Cin、Cout也可以理解为拓扑本身的、自带的滤波电路。
这里,虚线内的滤波网络现在是一个电容,也就是二端滤波网络,但是它也可以是三端甚至四端网络。
注意:图中没有任何电感,拓扑的电感(或者变压器)在拓扑模块内没有画出来。
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输出滤波网络

对于大多数电压型拓扑而言,输出端总有一个电容Cout,而且这个电容就是滤波的意思。
一般情况下,我们总可以通过调整Cout的大小满足任何需要的纹波要求。
然而在某些情况下,我们无法通过调整Cout的大小获得需要的输出纹波,比如:
1、满足需要的纹波时,需要的Cout太大,成本和体积不允许。
2、在接近短路运行时(比如电焊机或者点焊机),普通电容的电流指标不能满足要求。
3、某些应用不允许太大的Cout存在,比如逆变系统,太大的Cout将导致控制的困难。
4、出于可靠性的考虑,在输出端不使用电解电容。
5、高精度电源,由于电容ESR的存在,始终达不到要求的输出纹波指标。

怎么办呢?
其实很简单:
1、找出能够接受的电容
2、把这个电容一分为二
3、中间放一个适当的电感
4、调整这个电感直到满足输出纹波的要求。

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几点说明:
1、一般电源都是输出有功功率,即阻性负载,这时我们直接取Co1 = Co2滤波效果最好。
2、即使负载有部分感性成分,因为一般Co2都比较大,其容抗足以应付较大的感性负载冲击,一般不必考虑加大Co2.
3、容性负载(比如电解电源和充电电源)时,可考虑减小Co2(即突出Co1),大幅度减小也没有关系。
4、电焊电源可以(应该)取消Co2.
5、谐振负载(比如超声波电源、感应加热电源)慎用此法。
6、滤波就是滤波,别和拓扑里面的电感搅在一起,只有这样才能达到最好的效果。
7、除特殊情况外,不建议使用两极或多级LC滤波,在总电容量和总用铜用磁量相当的情况下,单级滤波纹波效果最好,也不会产生驻波干扰。
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设计举例(典型)输出滤波

将就上一贴的50KHz、100W(120W)反激电源为例,当前纹波指标为30mV。

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现在要求达到2mV的纹波精度。

方法一:加大输出滤波电容

将现用滤波电容C2的2200uF增加15倍,即33mF,输出纹波则对应降低15倍(没考虑ESR),即等于2mV.
如果觉得33mF25V的海量电解不好找,或者不合算.

方法二:增加一级LC滤波:

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当Co1 = Co2 = 470uF时,配合一个5A 1.3uH的电感,输出(与PWM同频的)纹波即可下降到1.6mV以下。或者:
当Co1 = Co2 = 330uF时,配合一个5A 2.2uH的电感,输出纹波即可下降到2.0 mV左右。可见,即使增加一点点LC滤波。对输出纹波、成本、体积的改善都是非常显著的。
再来看这个滤波电感的工况:
电流的直流成分5.0A,交流成分0.1A左右,大约只占2%.也就是说,这个电感基本上就是个直流偏电感,交流成分甚微。这意味着可以不必使用高级材料,也不考虑集肤效应,用普通铁粉芯磁环单股绕制即可。
下面是这个电感的设计参数:

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小结

其实呢,我们在输出端增加LC滤波网络是很简单的事情,直接把滤波电容一分为二、(随便)然后插入一个电感(不插入电感等效于原电路),就会发现一个奇妙的效果,那就是滤波效果显著提升,而且效果总是比单电容滤波效果好。因此,工程师们应该要随时变换思维,如果我把滤波电容分成两个会怎么样,会不会更好?这样既提高了滤波效果,又降低了成本。不用算,肯定比单电容好。

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