SMPS输入滤波器设计：负阻抗方法.docx

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1、优选他的文章讨论了输入滤波器设计到开关模式电源（SMPS）的实用方法。该方法基于负输入电阻的概念，当在反馈配置中操作时SMPS呈现给滤波器。分析讨论之后是来自实际滤波器/SMPS实现的仿真和测量结果。基金会驱动SMPS的输入信号由脉冲组成，因此具有高频EMI噪声。这种噪声沿着电源线传播，并且可能干扰共享相同电源的其他系统。此外，共享电源线的其他系统的高频噪声会影响SMPS的输入信号。在大多数设计中，在电源电压和SMPS之间插入低通LC滤波器。考虑由电源电压V in驱动的SMPS的简单框图，如图1所示。图1：连接到电

2、源线的SMPS在闭环系统中，无论输入电压V in或负载电阻R L的变化如何，都要保持恒定的输出电压V out。另外，输入功率，P 中，应独立于输入电压的V 中，其中  （1）因此，当V 在增加时，（或Δ V 在 > 0），我我 Ñ必须减少，（或Δ 我在 < 0）。相反，当V 在减小，（或Δ 我在 < 0），我我 Ñ必须增加，（或Δ 我在 > 0）。无论哪种情况，在输入电压波动期间我们都有 （2）因此，对于供电方，SMPS看起来像负电阻！也就是说，SMPS的输入电阻是负的。让我们证明一下。12/12优选SMPS的（负

3、）电阻的瞬时值是 （3）输出功率来自 （4）如果我们假设100％的效率，那么 （5）要么 （6）来自Eq。（1）我们得到 （7）从而， （8）利用Eq。（4）在Eq。（8）我们有 （9）要么 （10）因此，在闭环 SMPS系统中，在输入电压波动期间，SMPS的输入电阻看起来是负的。在SMPS的输入端实现低通滤波器时必须考虑这一事实。12/12优选图2显示了位于电源和SMPS输入之间的理想LC滤波器。图2：输入端带有LC滤波器的SMPS更精确的LC滤波器模型如图3所示。图3：输入端更真实的LC滤波器最后，让我们通过加

4、载具有SMPS输入阻抗R in的滤波器来增强电路模型。12/12优选图4：由SMPS输入阻抗加载的LC滤波器该电路的传递函数可以如下获得。首先，让我们并行计算组件的阻抗。 （11）现在，传递函数是从分压器获得的 （12）要么12/12优选 （13）当被单位步进输入激励时，该滤波器的响应为 （14）响应的类型取决于特征方程的根 （15）或者在阻尼比和无阻尼固有频率方面 （16）哪里 （17a）的和 （17b）的要么12/12优选 （17C）阻尼比的值决定了系统响应的类型如下：如果ζ<0 ，则特征方程具有两个具有正实部

5、的复根。响应是振荡的正弦曲线，振幅增大（响应不稳定）。如果ζ<0 ，则特征方程具有两个纯虚根。响应是一个永久振荡的无阻尼正弦波，振幅恒定。（无损LC罐）。如果0<ζ<1 ，则特征方程具有两个具有负实部的复根。响应被称为欠阻尼; 它是一个具有衰减幅度的振荡正弦曲线。如果ζ=1 ，则特征方程具有两个重复的负实根。响应称为临界阻尼。如果ζ>1 ，则特征方程具有两个负实的不同根。响应被称为阻尼响应。当R in的特定值使得ζ=0 或ζ<0 时，发生滤波器-SMPS系统的不稳定性。让我们确定的值-[R 中，使阻尼比等于零。来自

6、Eq。（17c）我们得到 （18）我们得到了解决R的问题 （19）要么 （20）让我们计算以下元件值的阻值 （21）结果是R in =- 2.45Ω。当L = 3.3μH时，结果是R in =- 0.26Ω。12/12优选其中一个设计标准是[1]，滤波器Z out，滤波器的输出阻抗必须远小于SMPS（绝对意义上）的输入阻抗，Z in，SMPS。 （22）问题是我们如何计算滤波器的输出阻抗和SMPS的输入阻抗？它们都是高度非线性的并且是频率的函数。答案是：我们近似它们。让我们从输入阻抗开始。考虑图5中所示的电路。图5

7、：SMPS由其输入电阻建模（负）输入阻抗是 （23）由于输入和输出功率相等，我们有 （24）因此，在输入电压为8V时工作的5WSMPS呈现负阻 （25）12/12优选因此，根据Eq。（22），滤波器的输出阻抗应远小于12.8Ω（或实际表述：输出阻抗越小越好）。为了确定滤波器输出阻抗，我们采用模拟方法。图6显示了两个实用的LC滤波器（随后用于实验室测量）。它们之间的唯一区别是电感值：33μH与3.3μH。图6：LC滤波器输出阻抗电路得到的输出阻抗曲线如图7所示。图7：LC滤波器输出阻抗图33μH滤波器具有输出阻抗Z 

8、滤波器， 在4.1kHz时输出 ≅11.5Ω 。3.3μH滤波器具有输出阻抗Z 滤波器， 在14kHz时输出 ≅1.1Ω 。这两个值都小于

9、 R in  

10、 但较大的一个，11.5Ω，非常接近12.8Ω的值。请记住，理想情况下，我们希望滤波器的输出阻抗远小于12.8Ω。12/12优选为了稳定，输入滤波器输出电阻Z 滤波器的等效电阻与SMPS输入电阻R in并