卫星电源DCDC模块输入滤波器的设计

1、    卫星电源DC/DC模块输入滤波器的设计        景立刚 时间:2010年05月18日     字 体: 大 中 小        关键词:        无阻尼LC滤波器    图1所示为无阻尼LC无源滤波器。理想情况下，一个二阶滤波器

2、在谐振频率f0后每倍频衰减12dB。其在f0之前没有增益，在谐振频率f0处增益达到峰值。                (1)图1 无阻尼LC滤波器    二阶滤波器在设计上的一个关键因素是频率f0处的衰减特性。谐振频率处的增益非常大，同时也放大了该频率处的噪声。通过分析滤波器的传递函数可以更好地理解问题的本质。其传递函数为 (2)    传递函数也可用弧度来表示： 

3、(3)    其中，以弧度表示的谐振频率；是阻尼因子。    该传递函数有两个负的极点和，阻尼因子表示该角频率处的增益。当<1时，两极点为复数，虚部使增益在谐振频率处达到峰值。图2 不同阻尼因子时LC滤波器的传递函数    阻尼因子越小，谐振频率处增益越大，达到理想零阻尼时增益为无穷大。然而，元器件的内阻限制了增益达到最大值。在此，阻尼因子就像一个虚拟元件，妨碍增益达到峰值。    在输入滤波器设计中，阻尼因子和系统性能关系很大，阻尼因子会影响反馈控制回路的传递函数，也

4、会在开关电源输出端引起振荡。    Middlebrook附加元素法则指出：如果输入滤波器的输出阻抗曲线远低于变换器的输入阻抗曲线，输入滤波器就不能明显改变变换器的闭环增益。换句话说，保持滤波器的输出阻抗峰值低于变换器的输入阻抗非常重要，因为这样能避免产生振荡（见图3）。   从设计观点上，根据阻尼因子最小值的1/2倍（此时，谐振频率处增益衰减3dB），获得最佳的滤波器性能体积比，使控制系统达到良好的稳定性。并联阻尼滤波器    在大多数情况下，图1中的无阻尼二阶滤波器不易满足衰减要求，于是考虑选择阻尼滤波器。&#

5、160;   图4所示的阻尼滤波器由电阻Rd和电容Cd先串联再与滤波器电容C并联构成。电阻Rd的作用是降低滤波器在谐振频率处的输出阻抗峰值；电容Cd抑制输入电压的直流成分，防止Rd消耗功率。图4 并联阻尼滤波器    为了不影响LC主滤波器的谐振频率，电容Cd在谐振频率处的阻抗应小于Rd，且比滤波器的电容值要大。    滤波器的输出阻抗可根据三个并联的方框阻抗来计算： (4)    传递函数为(5)    此处，Zeq2.3为Z2和Z3并联值。传

6、递函数上有一个零点和三个极点，零点和第一个极点非常接近地位于频率1/RdCd处，另两个主极点落在谐振频率处。近似计算中，零点和第一个极点可以忽略不计，则此公式近似表达了一个二阶滤波器（当频率大于1/RdCd时，(1+RdCds)RdCds)）。(6)    并联阻尼滤波器的近似计算公式和无阻尼滤波器的传递函数相同，唯一区别是阻尼因子的计算要加上电阻Rd。    图5和图6分别为并联阻尼滤波器的输出阻抗和传递函数。图5  并联阻尼滤波器输出阻抗图6  并联阻尼滤波器传递函数串联阻尼滤波器  

7、60; 阻尼滤波器的另一种形式是电阻Rd和电感Ld串联后再和滤波器电感L并联（见图7），在谐振频率处电阻Rd比Ld阻抗值高。图7  串联阻尼滤波器    和并联滤波器一样，串联滤波器的输出阻抗和传递函数可由公式(7)、(8)计算。      (7)          (8)    此处，Ld=nL。    从串联阻尼滤波器的传递函数可近似计算出： 

8、              (9)当阻尼因子时，峰值被最小化。最优阻尼电阻值为：                     。    这里，n=2/15。    串联阻尼滤波器的缺点是高频衰减能力弱化了（见图10

9、）。多级滤波器    多级滤波器高频时衰减能力强且体积小、成本低，因为当元件数量增加时，多级滤波器允许使用较低值的电感和电容（见图8)。图8  多级输入滤波器    根据各方框阻抗，可计算出输出阻抗和传递函数。     图9和图10是二阶阻尼滤波器、串联阻尼滤波器和无阻尼滤波器输出阻抗、传递函数之间的比较。图9 串联阻尼滤波器和二阶阻尼滤波器输出阻抗图10 串联阻尼滤波器和二阶阻尼滤波器传递函数    二阶滤波器优化如下：滤波器的输出阻抗峰值衰减80dB，输出阻抗峰值小于2。    开关电源抑制频率低于反馈控制环交点频率的噪声，输入滤波器应能抑制高频信号。输入滤波器谐振频率必须小于反馈控制环带宽的十分之一，才能更好地进行前向滤波。电容和电感的选择    正确选择电容和电感是影响滤波器性能的重要方面。选择低ESL、低ESR的高频衰减电容器输出纹波低。大多数普通电容器