开关电源电路中拓扑电感的Saber仿真辅助设计

一、(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。

二、滤波网络与拓扑的关系

所有电压型拓扑总可以这样表达：

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。

三、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。

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。

四、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。

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，那么：

方法二：增加一级 LC 滤波：

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：

小结

在输出端增加 LC 滤波网络是很简单的事情，只要将滤波电容一分为二、(随便)插入一个电感就能使(不插入电感等效于原电路)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：

1、工程师应该随时想到：“我那个滤波电容是不是应该分成二个，中间插个小工字?” 而且不用算，肯定比单电容好。

2、此法在同等情况下提高滤波效果，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。

3、既然不增加成本(甚至降低成本)就能够实现，因此在拓扑里面(的电感上或者控制模式上)去打主意减少纹波就是一件既费力又不讨好的事情，什么“某某拓扑、某某模式纹波大”的问题也不再应是问题。