为功率转换器噪声滤波器指定线路电感器
2019-2-5
不同组件供应商提供的具有相同标称特性的零件，在整个频率范围内的性能可能会有很大的差异。本白皮书探讨了电感器的性能变化。
1. 摘要
电感-电容 (LC) 滤波器通常插入开关模式功率转换器的输入和输出中，以减少反射纹波电流和输出噪声，并满足 EMC 的辐射和磁化率限制要求。尽管可以轻易计算出合适的滤波器电感值，但在整个频率范围内，在不同元器件供应商提供的标称特性相同的器件之间，电感器的性能可能会有很大差异，这可能导致结果差强人意，并增加了传导和辐射干扰。本白皮书将探讨电感器性能的变化。
2. 引言
大多数现代直流功率转换器和所有隔离式 DC/DC 转换器均为“开关模式”类型，其中外部直流电压在高频下被“斩波”，以产生用于隔离变压器的内部方波交流驱动。变压器输出随后整流回直流，具有高效、低损耗的特点。使用开关模式拓扑的一个不足之处是，这种开关过程会在输入和输出引脚上产生高频纹波，以及可能干扰其他设备的传导和辐射噪声尖峰。功率转换器的运行频率越来越高，压摆率越来越快，从而能提高效率，但由此产生的噪声频谱更广。
3. LC 滤波器有助于降低输出噪声
任何商用功率转换器内部都采用最小值滤波，以将纹波和噪声降低到约为直流输出 1% 的峰峰值。在大多数情况下，这是可以接受的，但如果敏感应用需要更低的水平，则可以采取一个简单的办法，即添加一个外部 LC 滤波器（图 1）。
理论上，电感器阻抗在直流电下为零，电容器阻抗为无穷大，因此所需的直流电不受影响。然而，随着频率的增加，电感器阻抗 ZL 增加，电容器阻抗 ZC 减小，从而产生不断增强的“分压器”效应。
理论上，电感器阻抗在直流电下为零，电容器阻抗为无穷大，因此所需的直流电不受影响。然而，随着频率的增加，电感器阻抗 ZL 增加，电容器阻抗 ZC 减小，从而产生不断增强的“分压器”效应。
图 1：外部 LC 滤波器降低输出纹波和噪声
转折频率 c 由以下公式给出：
从公式中可以看出，转折频率可以通过增加电感或电容或两者都增加来降低。通常，c 被设定为转换器开关频率的 1/10，以获得良好衰减。
尽管选择滤波器转折频率以在转换器开关频率下有效降低纹波很容易，但预测包含整个谐波频率频谱的噪声尖峰衰减却并不简单。这是因为，在特定频率下，当 ZL 和 ZC 的值相等时，LC 网络可能开始“谐振”，噪声可能被放大而不是衰减。高于谐振时，尽管仍有一些噪声衰减，但其他寄生效应开始出现。例如，电感器的自电容会产生另一个频率高得多的谐振峰。该电容还会让噪声“绕过”电感器。在更高频率下，电感器中的磁芯损耗增加，并且由于“趋肤效应”，电感器导线的交流电阻增加；此外，当电容器阻抗与其等效串联电阻 (ESR) 相比变小时，电容器开始充当电阻器。
尽管选择滤波器转折频率以在转换器开关频率下有效降低纹波很容易，但预测包含整个谐波频率频谱的噪声尖峰衰减却并不简单。这是因为，在特定频率下，当 ZL 和 ZC 的值相等时，LC 网络可能开始“谐振”，噪声可能被放大而不是衰减。高于谐振时，尽管仍有一些噪声衰减，但其他寄生效应开始出现。例如，电感器的自电容会产生另一个频率高得多的谐振峰。该电容还会让噪声“绕过”电感器。在更高频率下，电感器中的磁芯损耗增加，并且由于“趋肤效应”，电感器导线的交流电阻增加；此外，当电容器阻抗与其等效串联电阻 (ESR) 相比变小时，电容器开始充当电阻器。
图 2：添加了寄生元件的外部滤波器
电容器等效串联电感 (ESL) 也会产生高频效应。如果包含这些寄生元件，图 1 所示的简单 LC 滤波器的等效电路就变得与图 2 所示电路更相似。
4. 电感器中的寄生效应改变噪声衰减性能
将 LLOSS 1 和 LLOSS 2 与 RLOSS 1 和 RLOSS 2 一起使用，是在电路中包含频率相关磁芯损耗影响的一种简单方法，不同的 LLOSS 值会产生不同的阻抗，从而使不同的电阻元件 RLOSS 1 和 RLOSS 2 在不同频率下产生影响。
可以添加更多 LLOSS/RLOSS 网络，以使模型更准确，但很难根据电感器数据表信息计算元件值。因此，对于特定电感器和磁芯的完整模型，必须通过实验找到值。
图 3 ...
可以添加更多 LLOSS/RLOSS 网络，以使模型更准确，但很难根据电感器数据表信息计算元件值。因此，对于特定电感器和磁芯的完整模型，必须通过实验找到值。
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