開關(guān)電源電路設(shè)計秘笈之阻尼輸入濾波系列

開關(guān)調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器，因為它們更高效，而開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)則十分依賴輸入濾波器。這種電路元件與電源的典型負動態(tài)阻抗相結(jié)合，可以誘發(fā)振蕩問題。本文將闡述如何避免此類問題的出現(xiàn)。

一般而言，所有的電源都在一個給定輸入范圍保持其效率。因此，輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖3.1顯示的是一個開關(guān)電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

圖3.1 開關(guān)電源表現(xiàn)出的負阻抗

負輸入阻抗

電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率，其從本質(zhì)上定義了電源的動態(tài)阻抗。這根線的斜率等于負輸入電壓除以輸入電流。也就是說，由Pin=V?，可以得出V=Pin/I;并由此可得dV/dI=–Pin/I2或dV/dI≈–V/I。

該近似值有些過于簡單，因為控制環(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但是很多時候，當涉及電流模式控制時這種簡單近似值就已足夠了。

為什么需要輸入濾波器

開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流，并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統(tǒng)的運行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個如圖3.2所示類型的濾波器。電容為功率級的開關(guān)電流提供了一個低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開關(guān)電流最小化。在低頻率時，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時，電感和電容實質(zhì)上就形成了一種并聯(lián)諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現(xiàn)出較高的電阻。

大多數(shù)情況下，峰值電源阻抗可以通過首先確定濾波器(Zo)的特性阻抗來估算得出，而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根。這就是諧振下電感或者電容的阻抗。接下來，對電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)和電感的電阻求和。這樣便得到電路的Q值。峰值電源阻抗大約等于Zo乘以電路的Q值。

但是，開關(guān)的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會出現(xiàn)問題。圖3.3顯示的是在一個電壓驅(qū)動串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個電阻。這種情況下，輸出電壓趨向于無窮大。當您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負電阻時，您也就會面臨一個類似的電源系統(tǒng)情況;這時，電路往往就會出現(xiàn)振蕩。

設(shè)計穩(wěn)定電源系統(tǒng)的秘訣是保證系統(tǒng)電源阻抗始終大大小于電源的輸入阻抗。我們需要在最小輸入電壓和最大負載(即最低輸入阻抗)狀態(tài)下達到這一目標。