SMPS输入滤波器设计：负阻抗方法.docx

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Vin驱动的SMPS的简单框图，如图1所示图1：连接到电源线的SMPS在闭环系统中，无论输入电压Vin或负载电阻RL的变化如何，都要保持恒定的输出电压Vout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SMPS的（负）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，则 （5）要么 （6）来自Eq。

1）我们得到 （7）从而， （8）利用Eq4）在Eq8）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，让我们通过加载具有SMPS输入阻抗Rin的滤波器来增强电路模型图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 （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 （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Rin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Eq17c）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Rin= -2.45Ω当L=3.3μH时，结果是Rin= -0.26Ω其中一个设计标准是[1]，滤波器Zout，滤波器的输出阻抗必须远小于SMPS（绝对意义上）的输入阻抗，Zin，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：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5W SMPS呈现负阻 （25）因此，根据Eq22），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滤波器，在4.1 kHz时输出 ≅11.5Ω 3.3μH滤波器具有输出阻抗Z滤波器，在14 kHz时输出 ≅1.1Ω 这两个值都小于|Rin|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Rin并联，必须为正[2]，因此 （26）33μH-SMPS组合的等效电阻为 （27A）而3.3μH-SMPS组合的等效电阻是 （27b）的两个等效阻抗值均为正值，因此两种设计似乎都是可接受的然而，这个结论是不正确的正等效阻抗的条件是必要的，但不是足够的我们需要提供一些安全边际建议，在计算等效阻抗，ZEQ，应该最多使用的半[R的值让我们重新计算两个滤波器的等效阻抗，R的新值在-12.8/2 =-6.4Ω （28a）的 （28B）由于33μH滤波器/ SMPS的等效阻抗为负，因此应拒绝此设计。

请注意，此过滤器也违反了Eq中的条件22），因为11.5>6.4Ω3.3μH滤波器/ SMPS的等效阻抗为正;该滤波器也满足公式（22）中的条件，因为11.5<6.4Ω验证设计验证中使用的实验装置分别如图8和图9所示[3]图8：时域测量设置图9：传导发射测量设置两个滤波器的时域测量结果如图10所示图10：SMPS的输入电压很明显，3.3μH滤波器是稳定的，SMPS输入端的输入电压变化最小33μH滤波器以大输入电压变化振荡图11比较了两种设计的电池线传导发射测量值显然，3.3μH滤波器优于33μH滤波器图11：传导发射测量. z.。