【成功案例】怎么设计和选型开关电源输出π型滤波器,降低电源输出纹波噪声

2018-08-06 世强

开关电源在带载运行时,由于MOSFET开关管的开关频率很高,会造成很高的电压尖峰和噪声纹波,电源输出噪声纹波过大的话,会造成输出负载的功率损耗和电压波动,严重者超过负载的电压承受范围使其损坏。那怎么才能设计和选型合适的滤波器降低电源输出纹波噪声?


本文结合开关电源设计项目为例,采用Laird公司的功率电感1XC0394-1T0-10和电解电容设计电源输出π型滤波器,降低电源输出纹波噪声,减少电磁干扰,为负载提供良好的功率电压环境。图1为电源输出π型滤波器原理图:

图1电源输出π型滤波器原理图


开关电源输出的正极经过滤波电感输出+15V,电解电容C20、C21,电感L5和无极性电容C22组成π型滤波器,为+15V输出电压滤波,降低电源输出纹波和噪声;发光二极管DL1B和电阻R27作为电源输出的指示灯,可以判定电源电压是否正常输出。

在本文结合开关电源设计项目中,电源输入电压额定值为110V,电源输出为+15V,开关频率为150KHz,最大输出功率为150W,输出电压纹波要求小于0.5V,满足-25℃~85℃环境工作温度范围。结合开关电源设计项目需求,按照以下步骤进行π型滤波器的选型设计:

1、计算π型滤波器电感值;

2、选择π型滤波器电感的额定电流;

3、选择π型滤波器电感的额定内阻;

4、选择π型滤波器电感的封装和工作温度范围。

1)计算π型滤波器电感值


开关电源项目输出功率为150W,开关频率为150KHz,所用效率90%,计算π型滤波器的截止频率25KHz。采用归一化LPF低通滤波器设计方法,特征阻抗为1Ω,且截止频率为1/(2π)的基准低通滤波器的数据,按照图2计算公式计算出π型滤波器的电感值范围为大于7.5uH。 

 

图2电源输出π型滤波器计算公式

2)选择π型滤波器电感的额定电流

电感的额定电流为电感长时间运行时额定工作值,代表了电感的通流能力大小,开关电源的最大工作功率为150W,输出电压为15V,因此电感的额定工作电流最小为10A。

3)选择π型滤波器电感的额定内阻

电感的内阻DCR能够消耗电感流过电流的能量,内阻越大,电压输出压降越大,消耗功率越多,发热越严重。开关电源设计项目中,电压输出为15V,输出电压纹波要求小于0.5V,因此电感的内阻DCR必须小于0.05Ω。

4)选择π型滤波器电感的封装和工作温度范围

开关电源设计项目,需要满足高温70℃运行6h,85℃下运行15min的高温试验,因此选择电感必须能够在环境温度为85℃下长时间运行,并且要工作温度范围宽,从而能够降低由于系统发热带来的故障风险。要求其封装形式为插针或者贴片封装,占用PCB空间小,适合PCB焊接使用。


针对开关电源设计项目中对π型滤波器电感的上述设计要求,本文项目之初选择两家电感厂家Laird公司和PULSE厂家的产品参数进行对比,以便选择出合适项目用的π型滤波器电感。

图3两家电感参数对比

通过Laird公司的1XC0394-1T0-10与PULSE公司的PA4344.153NLT的参数对比可以得出:


1、电感1XC0394-1T0-10与PA4344.153NLT额定电流和工作温度参数相同,都能满足项目中额定电流大于10A和环境温度大于85℃的设计要求,并且留有裕量,可以避免输出功率波动带来的发热问题。

2、电感1XC0394-1T0-10与PA4344.153NLT电感量都大于项目中7.5uH的要求,两者峰封装形式不同,但插针和贴片封装都体积不大,不会占用PCB太大面积。

3、电感1XC0394-1T0-10相对于PA4344.153NLT的最大优势是内阻小,相对小了9.3mΩ,按照最大输出电流10A计算,少发热功率为0.93W。因此电感1XC0394-1T0-10内阻小,发热量和损耗功率小,使得开关电源的效率更高,而且能够降低温升带来的热故障,使得开关电源运行更加稳定。

综上通过两款电感产品参数对比分析,可见Laird公司的电感1XC0394-1T0-10各项参数都满足开关电源π型滤波器电感的设计需求,而且其最大优势是内阻小,性能优越,在开关电源可靠有效的使用。


图4电源输出π型滤波器测试波形


开关电源设计项目中,采用Laird公司的功率电感1XC0394-1T0-10设计电源输出π型滤波器,降低电源输出纹波噪声,减少电磁干扰,为负载提供良好的功率电压环境。而且电感1XC0394-1T0-10的最大优势是:内阻DCR特别小,只有0.0085Ω,输出电压压降小,消耗的功率也小,发热也小,非常适合开关电源项目中出输出滤波电感使用。

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  • junhoo Lv5 . 技术专家 2018-11-29
    学习
  • 186******00 Lv4 . 资深工程师 2018-11-21
    资料非常好,学习了
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    好东西,正好能参考一下设计
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    噪声!
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