電源濾波設(shè)計(jì)關(guān)鍵基礎(chǔ)精華集錦

一、開關(guān)電源中濾波電容的正確選擇

　　濾波電容在開關(guān)電源中起著非常重要的作用，如何正確選擇濾波電容，尤其是輸出濾波電容的選擇則是每個(gè)工程技術(shù)人員都十分關(guān)心的問(wèn)題。

　　50Hz工頻電路中使用的普通電解電容器，其脈動(dòng)電壓頻率僅為100Hz，充放電時(shí)間是毫秒數(shù)量級(jí)。為獲得更小的脈動(dòng)系數(shù)，所需的電容量高達(dá)數(shù)十萬(wàn)μF，因此普通低頻鋁電解電容器的目標(biāo)是以提高電容量為主，電容器的電容量、損耗角正切值以及漏電流是鑒別其優(yōu)劣的主要參數(shù)。而開關(guān)電源中的輸出濾波電解電容器，其鋸齒波電壓頻率高達(dá)數(shù)十kHz，甚至是數(shù)十MHz，這時(shí)電容量并不是其主要指標(biāo)，衡量高頻鋁電解電容優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是“阻抗-頻率”特性，要求在開關(guān)電源的工作頻率內(nèi)要有較低的等效阻抗，同時(shí)對(duì)于半導(dǎo)體器件工作時(shí)產(chǎn)生的高頻尖峰信號(hào)具有良好的濾波作用。

　　普通的低頻電解電容器在10kHz左右便開始呈現(xiàn)感性，無(wú)法滿足開關(guān)電源的使用要求。而開關(guān)電源專用的高頻鋁電解電容器有四個(gè)端子，正極鋁片的兩端分別引出作為電容器的正極，負(fù)極鋁片的兩端也分別引出作為負(fù)極。電流從四端電容的一個(gè)正端流入，經(jīng)過(guò)電容內(nèi)部，再?gòu)牧硪粋€(gè)正端流向負(fù)載;從負(fù)載返回的電流也從電容的一個(gè)負(fù)端流入，再?gòu)牧硪粋€(gè)負(fù)端流向電源負(fù)端。

　　由于四端電容具有良好的高頻特性，為減小電壓的脈動(dòng)分量以及抑制開關(guān)尖峰噪聲提供了極為有利的手段。高頻鋁電解電容器還有多芯的形式，即將鋁箔分成較短的若干段，用多引出片并聯(lián)連接以減小容抗中的阻抗成份。并且采用低電阻率的材料作為引出端子，提高了電容器承受大電流的能力。

　　二、橋式整流濾波電路圖

　　橋式整流濾波電路圖

　　單相橋式整流π型濾波電路

　　三、濾波電路的設(shè)計(jì)

　　濾波電路的設(shè)計(jì)

　　交流電經(jīng)過(guò)二極管整流之后，方向單一了，但是大?。娏鲝?qiáng)度）還是處在不斷地變化之中。這種脈動(dòng)直流一般是不能直接用來(lái)給無(wú)線電裝供電的。要把脈動(dòng)直流變成波形平滑的直流，還需要再做一番“填平取齊”的工作，這便是濾波。換句話說(shuō)，濾波的任務(wù)，就是把整流器輸出電壓中的波動(dòng)成分盡可能地減小，改造成接近恒穩(wěn)的直流電。

　　電容濾波

　　電容器是一個(gè)儲(chǔ)存電能的倉(cāng)庫(kù)。在電路中，當(dāng)有電壓加到電容器兩端的時(shí)候，便對(duì)電容器充電，把電能儲(chǔ)存在電容器中；當(dāng)外加電壓失去（或降低）之后，電容器將把儲(chǔ)存的電能再放出來(lái)。充電的時(shí)候，電容器兩端的電壓逐漸升高，直到接近充電電壓；放電的時(shí)候，電容器兩端的電壓逐漸降低，直到完全消失。電容器的容量越

　　大，負(fù)載電阻值越大，充電和放電所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。這種電容帶兩端電壓不能突變的特性，正好可以用來(lái)承擔(dān)濾波的任務(wù)。

　　圖5-9是最簡(jiǎn)單的電容濾波電路，電容器與負(fù)載電阻并聯(lián)，接在整流器后面，下面以圖5-9（a）所示半波整施情況說(shuō)明電容濾波的工作過(guò)程。在二極管導(dǎo)通期間，e2 向負(fù)載電阻Rfz 提供電流的同時(shí)，向電容器C充電，一直充到最大值。e2 達(dá)到最大值以后逐漸下降；而電容器兩端電壓不能突然變化，仍然保持較高電壓。這時(shí)，D 受反向電壓，不能導(dǎo)通，于是Uc便通過(guò)負(fù)載電阻Rfz 放電。由于C和Rfz 較大，放電速度很慢，在e2 下降期間里，電容器C上的電壓降得不多。當(dāng)e2 下一個(gè)周期來(lái)到并升高到大于Uc時(shí)，又再次對(duì)電容器充電。如此重復(fù)，電容器C兩端（即負(fù)載電阻Rfz ：兩端）便保持了一個(gè)較平穩(wěn)的電壓，在波形圖上呈現(xiàn)出比較平滑的波形。圖5-10（a）（b）中分別示出半波整流和全波整流時(shí)電容濾波前后的輸出波形。

　　顯然，電容量越大，濾波效果越好，輸出波形越趨于平滑，輸出電壓也越高。但是，電容量達(dá)到一定值以后，再加大電容量對(duì)提高濾波效果已無(wú)明顯作用。通常應(yīng)根據(jù)負(fù)載電用和輸出電說(shuō)的大小選擇最佳電容量。表5-2 中所列濾波電容器容量和輸出電流的關(guān)系，可供參考。 電容器的耐壓值一般取 的1．5倍。

　　表5-3中列出帶有濾波器的整流電路中各電壓的關(guān)系。 表一、

　　輸出電流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下

　　濾波電容4000u2000u1000u500u200u-500u200u

　　采用電容濾波的整流電路，輸出電壓隨時(shí)出電流變化較大，這對(duì)于變化負(fù)載（如乙類推挽電路）來(lái)說(shuō)是很不利的。

　　二、電感濾波

　　利用電感對(duì)交流阻抗大而對(duì)直流用抗小的特點(diǎn)，可以用帶鐵芯的線圈做成濾波器。電磁濾波輸出電壓較低，相輸出電壓波動(dòng)小，隨負(fù)載變化也很小，適用于負(fù)載電流較大的場(chǎng)合。

　　三、復(fù)式濾波器。

　　把電容按在負(fù)載并聯(lián)支路，把電感或電阻接在串聯(lián)支路，可以組成復(fù)式濾波器，達(dá)到更佳的濾波效果口這種電路的形狀很象字母π，所以又叫π型濾波器。

　　圖5－12所示是由電磁與電容組成的LC濾波器，其濾波效能很高，幾乎沒(méi)有直流電壓損失，適用于負(fù)載電流較大、要求紋波很小的場(chǎng)合。但是，這種濾波器由于電感體積和重量大（高頻時(shí)可減小），比較笨重，成本也較高，一般情況下使用得不多。

　　由電阻與電容組成的RC濾波器示于圖5－13中。這種復(fù)式濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能兼起降壓、限流作用，濾波效能也較高，是最后用的一種濾波器。上述兩種復(fù)式濾波器，由于接有電容，帶負(fù)載能力都較差。

　　四、RC濾波電路的計(jì)算及公式

　　RC濾波電路的計(jì)算及公式

　　對(duì)于無(wú)源RC一階低通濾波電路，其傳遞函數(shù)為G（s）=1/（RCs+1）。轉(zhuǎn)換為信號(hào)經(jīng)過(guò)它的衰減的計(jì)算方法為：

　　Uo=Ui/［（2*Pi*f*R*C）^2+1］^0.5

　　式中：Uo為輸出電壓；Ui為輸入電壓；Pi為圓周率；f為信號(hào)頻率。

　　對(duì)于無(wú)源RC二階（以上）低通濾波電路，由于此處用文字行不大好表達(dá)，所以就不寫出了。

　　五、電容濾波電路

　　濾波電路

　　整流電路雖然可將交流電變成直流電，但其脈動(dòng)成分較大，在一些要求直流電平滑的場(chǎng)合是不適用的，需加上濾波電路，以減小整流后直流電中的脈動(dòng)成分。

　　一般直流電中的脈動(dòng)成分的大小用脈動(dòng)系數(shù)來(lái)表示：

　　脈動(dòng)系數(shù)（S）＝ 　　　GS0712

　　例如，全波整流輸出電壓uL可用付氏級(jí)數(shù)展開為：

　　 　　　 GS0713

　　其中基波最大值為0.6U2，直流分量（平均值）為0.9 U2，故脈動(dòng)系數(shù)S≈0.67 。同理可求得半波整流輸出電壓的脈動(dòng)系數(shù)為S＝1.57，可見其脈動(dòng)系數(shù)是比較大的。一般電子設(shè)備所需直流電源的脈動(dòng)系數(shù)小于0.01，故整流輸出的電壓必須采取一定的措施，一方面盡量降低輸出電壓中的脈動(dòng)成分，另一方面盡量保存輸出電壓中的直流成分，使輸出電壓接近于較理想的直流電源的輸出電壓。這一措施就是濾波。

　　最基本的濾波元件是電感、電容。其濾波原理是：利用這些電抗元件在整流二極管導(dǎo)通期間儲(chǔ)存能量、在截止期間釋放能量的作用，使輸出電壓變得比較平滑；或從另一角度來(lái)看，電容、電感對(duì)交、直流成分反映出來(lái)的阻抗不同，把它們合理地安排在電路中，即可達(dá)到降低交流成分而保留直流成分的目的，體現(xiàn)出濾波作用。

　　常用的濾波電路有無(wú)源濾波和有源濾波兩大類。其中無(wú)源濾波的主要形式有電容濾波，電感濾波和復(fù)式濾波（包括倒L型LC濾波，π型LC濾波和π型RC濾波等）。有源濾波的主要形式是有源RC濾波。

　　電容濾波

　　半波整流電容濾波電路如圖Z0710所示。其濾波原理如下：

　　電容C并聯(lián)于負(fù)載 RL的兩端，uL＝uC。在沒(méi)有并入電容C之前，整流二極管在u2的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止，輸出電壓uL的波形如圖中紅線所示。并入電容之后，設(shè)在 ωt=0時(shí)接通電源，則當(dāng)u2由零逐漸增大時(shí)，二極管D導(dǎo)通，除有一電流iL流向負(fù)載以外還有一電流iC向電容C充電，充電電壓uC的極性為上正下負(fù)。如忽略二極管的內(nèi)阻，則uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 達(dá)到最大值以后開始下降，此時(shí)電容器上的電壓uc也將由于放電而逐漸下降。當(dāng)u2＜uc時(shí)，D因反偏而截止，于是C以一定的時(shí)間常數(shù)通過(guò)RL 按指數(shù)規(guī)律放電，uc下降。直到下一個(gè)正半周，當(dāng)u2 ＞uc時(shí)，D又導(dǎo)通。如此下去，使輸出電壓的波形如圖中藍(lán)線所示。顯然比未并電容C前平滑多了。

　　全波或橋式整流電容濾波的原理與半波整波電容濾波基本相同，濾波波形如圖Z0711 所示。

　　從以上分析可以看出：

　　1. 加了電容濾波之后，輸出電壓的直流成分提高了，而脈動(dòng)成分降低了。這都是由于電容的儲(chǔ)能作用造成的。電容在二極管導(dǎo)通時(shí)充電（儲(chǔ)能），截止時(shí)放電（將能量釋放給負(fù)載），不但使輸出電壓的平均值增大，而且使其變得比較平滑了。

　　2．電容的放電時(shí)間常數(shù)（τ＝RLC）愈大，放電愈慢，輸出電壓愈高，脈動(dòng)成分也愈少，即濾波效果愈好。故一般C取值較大，RL也要求較大。實(shí)際中常按下式來(lái)選取C的值：

　　RLC≥（3～5＞T（半波） GS0714

　　RLC≥（3～5）T／2（全波、橋式） GS0715

　　3．電容濾波電路中整流二極管的導(dǎo)電時(shí)間縮短了，即導(dǎo)通角小于180°。而且，放電時(shí)間常數(shù)越大，導(dǎo)通角越小。因此，整流二極管流過(guò)的是一個(gè)很大的沖擊電流，對(duì)管子的壽命不利，選擇二極管時(shí)，必須留有較大余量。

　　 4. 電容濾波電路的外特性（指UL與IL之間的關(guān)系）和脈動(dòng)特性（指S與IL 之間的關(guān)系）比較差，如圖Z0712 所示?？梢钥闯鲚敵鲭妷篣L和脈動(dòng)系數(shù)S隨著輸出電流IL 的變化而變化。當(dāng)IL＝0（即RL= ∞ ）時(shí)，UL = U2（電容充電到最大值后不再放電），S = 0。當(dāng)IL增大（即RL減小）時(shí)，由于電容放電程度加快而使UL下降，UL 的變化范圍在 U2 ～0.9 U2之間（指全波或橋式），S變大。所以，電容濾波一般適用于負(fù)載電流變化不大的場(chǎng)合。

　　5．電容濾波電路輸出電壓的佑算。如果電容濾波電路的放電時(shí)間常數(shù)按式GS0714或GS0715 取值的話，則輸出電壓分別為：

　　UL＝（0.9～1.0）U2 （半波） GS0716

　　UL＝（1.1～1.2）U2 （全波） GS0717

　　電容濾波電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、應(yīng)用較廣。