衛(wèi)星電源DCDC模塊輸入濾波器的設(shè)計(jì)

1、    衛(wèi)星電源DC/DC模塊輸入濾波器的設(shè)計(jì)        景立剛 時(shí)間:2010年05月18日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        無阻尼LC濾波器    圖1所示為無阻尼LC無源濾波器。理想情況下，一個(gè)二階濾波器

2、在諧振頻率f0后每倍頻衰減12dB。其在f0之前沒有增益，在諧振頻率f0處增益達(dá)到峰值。                (1)圖1 無阻尼LC濾波器    二階濾波器在設(shè)計(jì)上的一個(gè)關(guān)鍵因素是頻率f0處的衰減特性。諧振頻率處的增益非常大，同時(shí)也放大了該頻率處的噪聲。通過分析濾波器的傳遞函數(shù)可以更好地理解問題的本質(zhì)。其傳遞函數(shù)為 (2)    傳遞函數(shù)也可用弧度來表示： 

3、(3)    其中，以弧度表示的諧振頻率；是阻尼因子。    該傳遞函數(shù)有兩個(gè)負(fù)的極點(diǎn)和，阻尼因子表示該角頻率處的增益。當(dāng)<1時(shí)，兩極點(diǎn)為復(fù)數(shù)，虛部使增益在諧振頻率處達(dá)到峰值。圖2 不同阻尼因子時(shí)LC濾波器的傳遞函數(shù)    阻尼因子越小，諧振頻率處增益越大，達(dá)到理想零阻尼時(shí)增益為無窮大。然而，元器件的內(nèi)阻限制了增益達(dá)到最大值。在此，阻尼因子就像一個(gè)虛擬元件，妨礙增益達(dá)到峰值。    在輸入濾波器設(shè)計(jì)中，阻尼因子和系統(tǒng)性能關(guān)系很大，阻尼因子會(huì)影響反饋控制回路的傳遞函數(shù)，也

4、會(huì)在開關(guān)電源輸出端引起振蕩。    Middlebrook附加元素法則指出：如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠(yuǎn)低于變換器的輸入阻抗曲線，輸入濾波器就不能明顯改變變換器的閉環(huán)增益。換句話說，保持濾波器的輸出阻抗峰值低于變換器的輸入阻抗非常重要，因?yàn)檫@樣能避免產(chǎn)生振蕩（見圖3）。   從設(shè)計(jì)觀點(diǎn)上，根據(jù)阻尼因子最小值的1/2倍（此時(shí)，諧振頻率處增益衰減3dB），獲得最佳的濾波器性能體積比，使控制系統(tǒng)達(dá)到良好的穩(wěn)定性。并聯(lián)阻尼濾波器    在大多數(shù)情況下，圖1中的無阻尼二階濾波器不易滿足衰減要求，于是考慮選擇阻尼濾波器。&#

5、160;   圖4所示的阻尼濾波器由電阻Rd和電容Cd先串聯(lián)再與濾波器電容C并聯(lián)構(gòu)成。電阻Rd的作用是降低濾波器在諧振頻率處的輸出阻抗峰值；電容Cd抑制輸入電壓的直流成分，防止Rd消耗功率。圖4 并聯(lián)阻尼濾波器    為了不影響LC主濾波器的諧振頻率，電容Cd在諧振頻率處的阻抗應(yīng)小于Rd，且比濾波器的電容值要大。    濾波器的輸出阻抗可根據(jù)三個(gè)并聯(lián)的方框阻抗來計(jì)算： (4)    傳遞函數(shù)為(5)    此處，Zeq2.3為Z2和Z3并聯(lián)值。傳

6、遞函數(shù)上有一個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)，零點(diǎn)和第一個(gè)極點(diǎn)非常接近地位于頻率1/RdCd處，另兩個(gè)主極點(diǎn)落在諧振頻率處。近似計(jì)算中，零點(diǎn)和第一個(gè)極點(diǎn)可以忽略不計(jì)，則此公式近似表達(dá)了一個(gè)二階濾波器（當(dāng)頻率大于1/RdCd時(shí)，(1+RdCds)RdCds)）。(6)    并聯(lián)阻尼濾波器的近似計(jì)算公式和無阻尼濾波器的傳遞函數(shù)相同，唯一區(qū)別是阻尼因子的計(jì)算要加上電阻Rd。    圖5和圖6分別為并聯(lián)阻尼濾波器的輸出阻抗和傳遞函數(shù)。圖5  并聯(lián)阻尼濾波器輸出阻抗圖6  并聯(lián)阻尼濾波器傳遞函數(shù)串聯(lián)阻尼濾波器  

7、60; 阻尼濾波器的另一種形式是電阻Rd和電感Ld串聯(lián)后再和濾波器電感L并聯(lián)（見圖7），在諧振頻率處電阻Rd比Ld阻抗值高。圖7  串聯(lián)阻尼濾波器    和并聯(lián)濾波器一樣，串聯(lián)濾波器的輸出阻抗和傳遞函數(shù)可由公式(7)、(8)計(jì)算。      (7)          (8)    此處，Ld=nL。    從串聯(lián)阻尼濾波器的傳遞函數(shù)可近似計(jì)算出： 

8、              (9)當(dāng)阻尼因子時(shí)，峰值被最小化。最優(yōu)阻尼電阻值為：                     。    這里，n=2/15。    串聯(lián)阻尼濾波器的缺點(diǎn)是高頻衰減能力弱化了（見圖10

9、）。多級(jí)濾波器    多級(jí)濾波器高頻時(shí)衰減能力強(qiáng)且體積小、成本低，因?yàn)楫?dāng)元件數(shù)量增加時(shí)，多級(jí)濾波器允許使用較低值的電感和電容（見圖8)。圖8  多級(jí)輸入濾波器    根據(jù)各方框阻抗，可計(jì)算出輸出阻抗和傳遞函數(shù)。     圖9和圖10是二階阻尼濾波器、串聯(lián)阻尼濾波器和無阻尼濾波器輸出阻抗、傳遞函數(shù)之間的比較。圖9 串聯(lián)阻尼濾波器和二階阻尼濾波器輸出阻抗圖10 串聯(lián)阻尼濾波器和二階阻尼濾波器傳遞函數(shù)    二階濾波器優(yōu)化如下：濾波器的輸出阻抗峰值衰減80dB，輸出阻抗峰值小于2。    開關(guān)電源抑制頻率低于反饋控制環(huán)交點(diǎn)頻率的噪聲，輸入濾波器應(yīng)能抑制高頻信號(hào)。輸入濾波器諧振頻率必須小于反饋控制環(huán)帶寬的十分之一，才能更好地進(jìn)行前向?yàn)V波。電容和電感的選擇    正確選擇電容和電感是影響濾波器性能的重要方面。選擇低ESL、低ESR的高頻衰減電容器輸出紋波低。大多數(shù)普通電容器