電源設計小貼士 3：阻尼輸入濾波器(一)

一般而言，所有的電源都在一個(gè)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1顯示的是一個(gè)開(kāi)關(guān)電源的特征。隨著(zhù)電壓的下降，電流不斷上升。

圖1 開(kāi)關(guān)電源表現出的負阻抗

負輸入阻抗

電壓-電流線(xiàn)呈現出一定的斜率，其從本質(zhì)上定義了電源的動(dòng)態(tài)阻抗。這根線(xiàn)的斜率等于負輸入電壓除以輸入電流。也就是說(shuō)，由 Pin = V·I，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(guò)于簡(jiǎn)單，因為控制環(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應。但是很多時(shí)候，當涉及電流模式控制時(shí)這種簡(jiǎn)單近似值就已足夠了。

為什么需要輸入濾波器

開(kāi)關(guān)調節器輸入電流為非連續電流，并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會(huì )中斷系統的運行。大多數電源系統都集成了一個(gè)如圖 2 所示類(lèi)型的濾波器。電容為功率級的開(kāi)關(guān)電流提供了一個(gè)低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個(gè)高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開(kāi)關(guān)電流最小化。在低頻率時(shí)，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時(shí)，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時(shí)，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時(shí)，電感和電容實(shí)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，呈現出較高的電阻。

大多數情況下，峰值電源阻抗可以通過(guò)首先確定濾波器 (Zo) 的特性阻抗來(lái)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(lái)，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。

圖2 諧振時(shí)濾波器的高阻抗和高阻性

振蕩

但是，開(kāi)關(guān)的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會(huì )出現問(wèn)題。圖3顯示的是在一個(gè)電壓驅動(dòng)串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個(gè)電阻。這種情況下，輸出電壓趨向于無(wú)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(shí)，您也就會(huì )面臨一個(gè)類(lèi)似的電源系統情況；這時(shí)，電路往往就會(huì )出現振蕩。

圖3 與其負阻抗耦合的開(kāi)關(guān)諧振濾波器可引起不必要的振蕩

設計穩定電源系統的秘訣是保證系統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。在電源設計小貼士 4 中，我們將討論控制電源阻抗的一些實(shí)用方法。