大师手笔！如何巧用拓扑电感提升滤波效果

滤波网络与拓扑关系

(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。

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。
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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。
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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.

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

其实呢，我们在输出端增加LC滤波网络是很简单的事情，直接把滤波电容一分为二、(随便)然后插入一个电感(不插入电感等效于原电路)，就会发现一个奇妙的效果，那就是滤波效果显著提升，而且效果总是比单电容滤波效果好。因此，工程师们应该要随时变换思维，如果我把滤波电容分成两个会怎么样，会不会更好？这样既提高了滤波效果，又降低了成本。不用算，肯定比单电容好。