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詳敘工控設備電源、3D打印機電源等開關電源設計方法（二）

來源：發(fā)布時間：2019-05-18 點擊量：1072

詳敘工控設備電源、3D打印機電源等開關電源設計方法（二）

我們今天繼續(xù)來說說工控設備電源、3D打印機電源等開關電源設計方法另一個方法。

工控設備電源、3D打印機電源等開關電源的阻尼輸入濾波系列
開關調節(jié)器通常優(yōu)于線性調節(jié)器，因為它們更高效，而開關拓撲結構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)阻抗相結合，可以誘發(fā)振蕩問題。

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顯示的是一個開關電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

工控設備電源、3D打印機電源等開關電源表現出的負阻抗

負輸入阻抗
電壓-電流線呈現出一定的斜率，其從本質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?I，可以得出V=Pin/I；并由此可得dV/dI=–Pin/I2或dV/dI≈–V/I。

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

工控設備電源、3D打印機電源等開關電源為什么需要輸入濾波器

開關調節(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。電容為功率級的開關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，電感和電容實質上就形成了一種并聯諧振電路，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。

工控設備電源、3D打印機電源等開關電源的諧振時濾波器的高阻抗和高阻性

但是，開關的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會出現問題。是在一個電壓驅動串聯電路中值相等、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，電路往往就會出現振蕩。

與其負阻抗耦合的開關諧振濾波器可引起不必要的振蕩

設計穩(wěn)定工控設備電源、3D打印機電源系統(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。

控制源極阻抗

在前面，我們討論了輸入濾波器的源極阻抗如何變得具有電阻性，以及其如何同開關調節(jié)器的負輸入阻抗相互作用。在極端情況下，這些阻抗振幅可以相等，但是其符號相反從而構成了一個振蕩器。業(yè)界通用的標準是輸入濾波器的源極阻抗應至少比開關調節(jié)器的輸入阻抗低6dB，作為最小化振蕩概率的安全裕度。

輸入濾波器設計通常以根據紋波電流額定值或保持要求選擇輸入電容開始的。第二步通常包括根據系統(tǒng)的EMI要求選擇電感 (LO)。利用一個跨接 CO 的電阻，可以阻尼濾波器。但是，在大多數情況下，這樣做會導致功率損耗過高。另一種方法是在濾波器電感的兩端添加一個串聯連接的電感和電阻。

工控設備電源、3D打印機電源等開關電源的CD和RD阻尼輸出濾波器源極阻抗

選擇阻尼電阻

有趣的是，一旦選擇了四個其他電路組件，那么就會有一個阻尼電阻的最佳選擇。不同阻尼電阻情況下這類濾波器的輸出阻抗。請思考一下極端的情況，如果阻尼電阻器開啟，那么峰值可能會非常的高，且僅由CO和LO來設定。如果電阻被短路，則諧振可由兩個電容和電感的并聯組合共同設置。利用一些包含閉型解的計算方法就可以很輕松地得到該值。

在選擇阻尼組件時，將最小電源輸入阻抗除以二，得到您的最大輸入濾波器源極阻抗 (6dB)。

最小電源輸入阻抗等于Vinmin2/Pmax。只需讀取阻尼電容與濾波器電容的比以及阻尼電阻與典型阻抗的比,例如，一個具有10μH電感和10μH 電容的濾波器具有Zo= (10μH/10μF)1/2=1Ohm 的典型阻抗。如果它正對一個12V最小輸入的12W電源進行濾波，那么該電源輸入阻抗將為Z=V2/P=122/12=12Ohms。這樣，最大源極阻抗應等于該值的二分之一，也即6Ohms。

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