耦合濾波電感原理

1、耦合濾波電感原理應(yīng)幾位網(wǎng)友的要求，下面給大家簡單講講在buck變換器基礎(chǔ)上發(fā)展出來的 正激、半橋、推挽和全橋PWM變換器多路輸出中常采用的耦合濾波電感的工作原 理。因為水平有限，只能用仿真軟件來簡單介紹一下工作原理和設(shè)計思路。常見的PWM控制的正激、半橋、推挽和全橋，其實質(zhì)還是一個buck變換器。 為了簡化分析過程，變壓器前面的部分我就不說了。僅僅從變壓器后面部分開始 說明。對于多路輸出的電源，通常變壓器次級有多個繞組，按照不同的輸出電壓要 求，繞組的匝數(shù)按照相應(yīng)的比例來設(shè)計。但是反饋回路一般只有一個，而且通常 是取功率輸出最大的那一路來反饋。假設(shè)有這么一個正激電源，輸出為：5V/10A3.3

2、V/20A實際電源中，反饋回路是從3.3V這路取樣。再假設(shè)每路輸出的整流管都是二極管，壓降為0.5V。再假設(shè)如下參數(shù)：開關(guān)頻率f=50KHz滿載占空比，低壓輸入時為Dmax=0.4高壓輸入時為Dmin=0.2那么根據(jù)這些參數(shù)，我們可以來計算每一路的濾波電感的數(shù)值應(yīng)該為多少， 假設(shè)電流的紋波為20%，根據(jù)工作原理，最大電流紋波出現(xiàn)在最高輸入電壓最大 輸出負(fù)載時：（Vg-V）xT由（3.3+ 0.3）心 0 x（1一。心）1 _ . U11 -我們還可以計苴出，5V撤出這騰的變壓器次魏繞通和能3V輸出這晦的變壓器枕緩繞組峰值 電壓：-，輸也蛀魚*嘗需景S5D響 Z33V揄出：U3JV = Vgn

3、+ Vf = 9.5V D球由此我們也可以知道變壓器次級5V繞組和3.3V繞組之間的匝比關(guān)系為: n=13.75/9.5=1.447有了以上參數(shù)，我們就可以建立一個簡單的電路模型來模擬雙路輸出的正激 變換器的次級部分了。為了簡單起見，我們采用開環(huán)控制，這樣的話，輸出一開 始會有過沖，我們可以等穩(wěn)定以后再分析數(shù)據(jù)，忽略前面過沖的部分。實際電路 由于有反饋環(huán)，過沖是不存在的。我們用Vpulse這么模型來模擬次級的變壓器 繞組輸出，二極管采用MBR2540，電感和電容都是采用的理想元件，沒有考慮ESR 等雜散參數(shù)。建立如下電路圖，模擬在最低輸入電壓兩路都是最大輸出時的狀態(tài)：然后如下參數(shù)設(shè)定時域掃描掃

4、描完成后，觀察輸出電壓:從圖上可以看出，待穩(wěn)定后，輸出電壓是正常的，滿足設(shè)計要求?？纯创藭r兩個電感的電流波形，注意要把電壓探頭刪掉，換成兩個電流探頭， 分別放在兩個電感輸入端，同時把波形圖的橫坐標(biāo)展開，觀察9.9ms到10ms這 部分：從電感電流波形可以看出，兩路輸出的電感電流都是處于連續(xù)模式的?，F(xiàn)在假設(shè)，3.3V輸出的負(fù)載不變，5V輸出的這路輸出電流降低，輸出電流 從10A降到了 0.25A，因為實際電源的反饋是取自3.3V輸出的。那么由于3.3V 這路的輸出沒有改變。所以電路的工作占空比沒有發(fā)生變化，那么這時候，會發(fā) 生什么事情呢？首先修改5V的輸出負(fù)載電阻為20歐。然后，修改時域掃描的時

5、間，把掃描時間增加為20ms，以保證輸出完全穩(wěn) 定下來，仿真結(jié)束后，如上圖再次放上電壓探頭，看看此時的輸出電壓是如何變 化的：從圖中可以看出，3.3V那路的輸出還是正常的，而5V那路的輸出已經(jīng)飆升 到了 7.5V左右。同樣把電壓探頭刪掉，換成電流探頭，看看電感電流波形。只不過，這次把 時間軸設(shè)置成19.9ms20ms，看看：從圖中可以看出，5V輸出這路，由于負(fù)載電流太小，已經(jīng)進入了 DCM模式。 那么輸出電壓已經(jīng)不再是Vout二VinXD 了。這就是多路輸出，獨立濾波電感存在的一個嚴(yán)重問題。為了解決這個問題， 就引入了耦合電感這個方法。在實際設(shè)計過程中，通常把所有的輸出都折算到某一路輸出來計算

6、磁芯的參 數(shù)，然后按照每路輸出電流來選擇線徑。同時，必須使每路輸出電感的匝數(shù)比與 變壓器次級每個繞組的匝數(shù)比相同！我們來嘗試計算一下：假如把5V繞組輸出折算到3.3V繞組的輸出，那么：Iout= (5X 10+3.3X20) /3.3=35.15A輸出濾波電感應(yīng)該為有了這兩個數(shù)值，我們就可以根據(jù)AP法求出實際的磁芯大小。這里我就省 略了。我們前面已經(jīng)有了 5V變壓器繞組和3.3V變壓器繞組的匝比關(guān)系n=1.447, 現(xiàn)在根據(jù)能量的關(guān)系來計算耦合電感的每一路輸出的電感量：5VLgv x Lu + Lg w x I3 3v = LE x I0llt我們知道，電感量之比，等于匝數(shù)比的平方，所以可以得

7、到:L加 x 1.447 x I5V + L3 3V x 13 3V - x IoulDinYuanomL3W xI 4472x 10 + L1W x203 = S.65x35J.5頊概=17.538uHLsv =頊 w x 1.447 = 36.72luH把原理圖中的兩個電感的電感量分別設(shè)置為以上參數(shù)。然后放置一個耦合 元件K_Linear，并將其參數(shù)L1、L2分別設(shè)置為兩個電感的名字11，12。設(shè)置好 負(fù)載電阻的阻值：先看看都是滿載輸出的時候的情況，輸出電壓從圖中可以看出，輸出電壓都是正常的，滿足設(shè)計需要。再看看把5V輸出 的負(fù)載電阻改成20歐的結(jié)果會怎么樣，下面是仿真后的輸出電壓波形：可以看到，即便把5V的輸出負(fù)載變成20歐，此路輸出的電壓依然能夠保持 在一個比較正常的值，而不像獨立電感時，電壓會飆升到7.5V。這就是耦合電 感帶來的好處。很慚愧，我并沒有耦合電感輸出的正激電源的設(shè)計經(jīng)驗。所以，以上只能從 基本原理的角度給大家一