【導(dǎo)讀】在便攜式儀器中，只能使用電池為系統(tǒng)供電。通常電池電壓比較低，系統(tǒng)中經(jīng)常需要使用小功率開(kāi)關(guān)電源電路對(duì)低電壓進(jìn)行電壓變換，滿足系統(tǒng)中不同功能模塊的需求。然而，使用開(kāi)關(guān)電源必將引入紋波噪聲，如何降低該紋波噪聲成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。
開(kāi)關(guān)電源的紋波抑制器通常使用C 型、LC型、CLC 型無(wú)源濾波器。π 型三階低通CLC 濾波器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，性能高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的公式，輸出紋波和輸出電容值成反比，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比。理論上使用標(biāo)稱值大的電容、電感可以得到較好的紋波抑制效果。實(shí)際應(yīng)用中，CLC 電路中不同類型的電解電容及不同標(biāo)稱值的電容、電感]對(duì)電源紋波的抑制效果究竟有什么樣的影響尚無(wú)相關(guān)文章指出。因此，有必要對(duì)CLC 濾波電路進(jìn)行實(shí)際測(cè)試研究。
本文采用MAX606 設(shè)計(jì)了12 V 的小功率開(kāi)關(guān)電源，使用CLC 濾波器對(duì)電源輸出紋波進(jìn)行抑制。通過(guò)使用不同類型電解電容及不同標(biāo)稱值的電容、電感，研究了CLC 濾波器的特性，得到了降低小功率開(kāi)關(guān)電源紋波的簡(jiǎn)單方法。
1、電路設(shè)計(jì)
MAX606 是一款小型CMOS 升壓式DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其輸入范圍3.0～5.5 V，輸出固定5 V/12 V 或可調(diào)輸出范圍Vin～12.5 V，精度為±4%。MAX606 的開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)1 MHz，在5 V輸出時(shí)可提供高達(dá)180 mA 的電流，廣泛應(yīng)用于PCMCIA 卡、存儲(chǔ)卡、數(shù)碼相機(jī)和手持式儀器中。
設(shè)計(jì)電路如圖1 所示，測(cè)試時(shí)輸入端使用3.6 V 的鋰電池進(jìn)行供電，使用π 型CLC 低通濾波電路對(duì)MAX606 輸出端進(jìn)行紋波濾波。
圖1 虛線框內(nèi)為CLC 濾波電路，通過(guò)更改Cin、Cout、L1 的相關(guān)參數(shù)，研究其對(duì)輸出紋波的抑制特性。
2、π 型CLC 濾波特性分析
考慮到電源輸出阻抗，將圖1 虛線框中所示CLC 電路的等效電路用圖2 表示，為了便于分析加入了負(fù)載RL，RS為電源輸出阻抗。
圖2 中Ui為開(kāi)關(guān)電源的輸出端，Uo為輸出到負(fù)載兩端的電壓。
2.1 CLC 濾波電路理論分析
電源信號(hào)輸入C1兩端之后，負(fù)載RL上的直流電壓為：
式（1）表明加入電感L 將使UL 變小，影響電源的負(fù)載調(diào)整率。若要使輸出電壓穩(wěn)定，應(yīng)選用等效串聯(lián)電阻小的電感器件，電感器的等效串聯(lián)電阻由其繞制導(dǎo)線的直流電阻決定。
對(duì)于開(kāi)關(guān)電源輸出而言，其交流信號(hào)即為電源紋波信號(hào)根據(jù)CLC 濾波電路傳遞函數(shù)：
從式（2）可以看出，隨頻率增大，紋波衰減越大；Cin、Cout 越大，紋波衰減越大，因此，π 型CLC 濾波器對(duì)電源紋波有一定的抑制作用。但是，式（2）是在L、C 均為理想情況下得出的，并未考慮實(shí)際電感電容的材料及它們的寄生參數(shù)。
2.2 實(shí)際測(cè)試分析
測(cè)試數(shù)據(jù)由泰克示波器TDS2022B (200 MHz、2 GS/s)、交流數(shù)字毫伏表KH-DD 型(10 Hz～2 MHz)測(cè)量所得，負(fù)載使用ZX21 型直流多值電阻器。
2.2.1 無(wú)濾波電路時(shí)電源輸出紋波波形
圖3 所示為空載時(shí)MAX606 輸出電壓紋波波形(Uo≈12 V)，即開(kāi)關(guān)紋波，其頻率為1.18 kHz，波形穩(wěn)定，Vpp=240 mV。圖4 所示為負(fù)載120 Ω 時(shí)輸出電壓的紋波波形，從圖4 中可以看出加入負(fù)載后電源紋波變得比較復(fù)雜，其最高Vpp達(dá)到1.2 V。為系統(tǒng)供電時(shí)，該紋波將會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害，必須對(duì)此紋波進(jìn)行抑制。
2.2.2 π 型CLC 濾波電路中不同類型電解電容下紋波隨負(fù)載的變化
在圖1 的CLC 濾波電路中，Cin、Cout 分別使用三種常見(jiàn)類型的電解電容（容值為220 μF/16 V），電感使用環(huán)形電感（電感值120 μH），依次改變負(fù)載大小，使用交流毫伏表測(cè)量其紋波電壓有效值，得到如圖5 所示的曲線圖。
從圖5 曲線可以看出，隨負(fù)載阻值逐漸增大，電源紋波有效值先急劇增大，后逐漸減小，在160 Ω 時(shí)三種類型電解電容輸出紋波均很低，滿足一般系統(tǒng)的電源紋波要求。從圖5 還可以看出整體水平上，普通直插式鋁電解電容紋波抑制能力最差，貼片鉭電解次之，貼片鋁電解濾波效果最佳。當(dāng)負(fù)載阻值小于500 Ω 時(shí)，貼片鋁電解濾波效果最佳。當(dāng)負(fù)載阻值大于500 Ω 時(shí)，鉭電解的濾波效果是最佳的。
圖6 所示為負(fù)載是300 Ω 時(shí)不同類型電解電容下所測(cè)量到的紋波波形，可以明顯看出使用貼片鋁電解紋波最小，使用普通鋁電解紋波較大且紋波具有毛刺，使用貼片鉭電解紋波有所減小且毛刺也有很大程度的改善。
圖7 所示為負(fù)載120 Ω 時(shí)不同類型電解電容下所測(cè)量得到的紋波波形。對(duì)比圖4 可以看出，經(jīng)過(guò)π 型CLC 濾波后，紋波已被抑制到很小范圍。從圖7 可以看出，此時(shí)鉭電解電容的紋波抑制能力最好，紋波波形中毛刺幅度也變小。
綜上所述，考慮到實(shí)際工作時(shí)，一般電路所需電流均為數(shù)十毫安，在整體水平上推薦濾波電路使用貼片鋁電解電容。當(dāng)負(fù)載很重（負(fù)載值小）時(shí)，則推薦使用鉭電解電容器。
2.2.3 不同電感值下紋波隨負(fù)載的變化
電容固定（貼片鉭電解220 μF/16 V），改變圖1 中CLC 濾波電路的電感值大小，測(cè)量不同負(fù)載時(shí)紋波的有效值，得到如圖8 所示的曲線圖，其中電感使用的是弓形電感。
從圖8 中可以看出，隨電感值增大，電源紋波減小，對(duì)于mH 級(jí)電感消除紋波效果非常明顯。采用1 mH 電感時(shí)，紋波電壓有效值僅3 mV，采用4.7 mH 時(shí)，紋波電壓有效值可降低至1.8 mV。
圖9 所示為負(fù)載為300 Ω 時(shí)不同電感值下紋波波形圖，從圖9 中可以看出，隨電感值增大，紋波被抑制程度越大，輸出紋波越小。當(dāng)電感值增大到1 mH 時(shí)，紋波效果最好，且輸出基本上沒(méi)有毛刺。
2.2.4 不同電容值下負(fù)載對(duì)紋波的影響
圖10 所示為在不同電容值（貼片鉭電解）下，改變電感和負(fù)載并測(cè)量負(fù)載上的電源紋波有效值所得出的曲線圖。
從圖10 中可以看出，隨電感、負(fù)載的變化紋波抑制趨勢(shì)大體相同，可以看出電容的增大對(duì)紋波的抑制較小，且紋波有效值并不隨電容值的增大而得到抑制，電感值的增大對(duì)電源紋波的抑制起決定性的作用。但是，選擇電容值時(shí)宜選取100 μF 以上的電容，才可以得到較好的紋波抑制效果。
3、總結(jié)
π 型CLC 濾波電路在小功率開(kāi)關(guān)電源中能夠起到較好的紋波抑制效果，通過(guò)改變電解電容的類型，調(diào)整電容值和電感值的大小，能夠顯著提高抑制紋波性能。對(duì)CLC 濾波電路進(jìn)行的特性分析能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)高質(zhì)量小功率開(kāi)關(guān)電源提供參考。
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