衛(wèi)星電源DCDC模塊輸入濾波器的設計

1、    衛(wèi)星電源DC/DC模塊輸入濾波器的設計作為衛(wèi)星的“心臟”，電源的可靠性要求很高。衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的DC/DC模塊主要負責將輸出的42V直流電壓轉換成其他等級的直流電壓，以滿足不同設備的用電需求。DC/DC模塊輸入濾波器有兩個主要功能：一是阻止DC/DC模塊產生的電磁干擾沿電力線傳導以影響其他設備；二是阻止電力線上的高頻電壓傳到DC/DC模塊的輸出端。LC無源濾波器具有上述兩種功能。本設計目標是在濾波器的體積和成本之間達到平衡。無阻尼LC濾波器圖1所示為無阻尼LC無源作為衛(wèi)星的“心臟”，電源的可靠性要求很高。衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的DC/DC模塊主要負責將輸

2、出的42V直流電壓轉換成其他等級的直流電壓，以滿足不同設備的用電需求。DC/DC模塊輸入濾波器有兩個主要功能：一是阻止DC/DC模塊產生的電磁干擾沿電力線傳導以影響其他設備；二是阻止電力線上的高頻電壓傳到DC/DC模塊的輸出端。LC無源濾波器具有上述兩種功能。本設計目標是在濾波器的體積和成本之間達到平衡。無阻尼LC濾波器圖1所示為無阻尼LC無源濾波器。理想情況下，一個二階濾波器在諧振頻率f0后每倍頻衰減12dB。其在f0之前沒有增益，在諧振頻率f0處增益達到峰值。(1)圖1 無阻尼LC濾波器二階濾波器在設計上的一個關鍵因素是頻率f0處的衰減特性。諧振頻率處的增益非常大，同時也放大了該頻率處的噪

3、聲。通過分析濾波器的傳遞函數(shù)可以更好地理解問題的本質。其傳遞函數(shù)為(2)傳遞函數(shù)也可用弧度來表示：(3)其中，以弧度表示的諧振頻率；是阻尼因子。該傳遞函數(shù)有兩個負的極點和，阻尼因子表示該角頻率處的增益。當<1時，兩極點為復數(shù)，虛部使增益在諧振頻率處達到峰值。圖2 不同阻尼因子時LC濾波器的傳遞函數(shù)阻尼因子越小，諧振頻率處增益越大，達到理想零阻尼時增益為無窮大。然而，元器件的內阻限制了增益達到最大值。在此，阻尼因子就像一個虛擬元件，妨礙增益達到峰值。在輸入濾波器設計中，阻尼因子和系統(tǒng)性能關系很大，阻尼因子會影響反饋控制回路的傳遞函數(shù)，也會在開關電源輸出端引起振蕩。Middlebro

4、ok附加元素法則指出：如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠低于變換器的輸入阻抗曲線，輸入濾波器就不能明顯改變變換器的閉環(huán)增益。換句話說，保持濾波器的輸出阻抗峰值低于變換器的輸入阻抗非常重要，因為這樣能避免產生振蕩（見圖3）。圖3 濾波器輸出阻抗和開關電源輸入阻抗從設計觀點上，根據(jù)阻尼因子最小值的1/2倍（此時，諧振頻率處增益衰減3dB），獲得最佳的濾波器性能體積比，使控制系統(tǒng)達到良好的穩(wěn)定性。并聯(lián)阻尼濾波器在大多數(shù)情況下，圖1中的無阻尼二階濾波器不易滿足衰減要求，于是考慮選擇阻尼濾波器。圖4所示的阻尼濾波器由電阻Rd和電容Cd先串聯(lián)再與濾波器電容C并聯(lián)構成。電阻Rd的作用是降低濾波器在諧振頻率處的輸

5、出阻抗峰值；電容Cd抑制輸入電壓的直流成分，防止Rd消耗功率。圖4 并聯(lián)阻尼濾波器.為了不影響LC主濾波器的諧振頻率，電容Cd在諧振頻率處的阻抗應小于Rd，且比濾波器的電容值要大。濾波器的輸出阻抗可根據(jù)三個并聯(lián)的方框阻抗來計算：(4)傳遞函數(shù)為(5)此處，Zeq2.3為Z2和Z3并聯(lián)值。傳遞函數(shù)上有一個零點和三個極點，零點和第一個極點非常接近地位于頻率1/RdCd處，另兩個主極點落在諧振頻率處。近似計算中，零點和第一個極點可以忽略不計，則此公式近似表達了一個二階濾波器（當頻率大于1/RdCd時，(1+RdCds)RdCds)）。(6)并聯(lián)阻尼濾波器的近似計算公式和無阻尼濾波器的傳遞函數(shù)相同，唯

6、一區(qū)別是阻尼因子的計算要加上電阻Rd。圖5和圖6分別為并聯(lián)阻尼濾波器的輸出阻抗和傳遞函數(shù)。圖5 并聯(lián)阻尼濾波器輸出阻抗圖6 并聯(lián)阻尼濾波器傳遞函數(shù).串聯(lián)阻尼濾波器阻尼濾波器的另一種形式是電阻Rd和電感Ld串聯(lián)后再和濾波器電感L并聯(lián)（見圖7），在諧振頻率處電阻Rd比Ld阻抗值高。圖7 串聯(lián)阻尼濾波器和并聯(lián)濾波器一樣，串聯(lián)濾波器的輸出阻抗和傳遞函數(shù)可由公式(7)、(8)計算。(7)(8)此處，Ld=nL。從串聯(lián)阻尼濾波器的傳遞函數(shù)可近似計算出：(9)當阻尼因子時，峰值被最小化。最優(yōu)阻尼電阻值為：。這里，n=2/15。串聯(lián)阻尼濾波器的缺點是高頻衰減能力弱化了（見圖10）。多級濾波器多級濾波器高頻時衰

7、減能力強且體積小、成本低，因為當元件數(shù)量增加時，多級濾波器允許使用較低值的電感和電容（見圖8)。圖8 多級輸入濾波器根據(jù)各方框阻抗，可計算出輸出阻抗和傳遞函數(shù)。圖9和圖10是二階阻尼濾波器、串聯(lián)阻尼濾波器和無阻尼濾波器輸出阻抗、傳遞函數(shù)之間的比較。圖9 串聯(lián)阻尼濾波器和二階阻尼濾波器輸出阻抗圖10 串聯(lián)阻尼濾波器和二階阻尼濾波器傳遞函數(shù)二階濾波器優(yōu)化如下：濾波器的輸出阻抗峰值衰減80dB，輸出阻抗峰值小于2。開關電源抑制頻率低于反饋控制環(huán)交點頻率的噪聲，輸入濾波器應能抑制高頻信號。輸入濾波器諧振頻率必須小于反饋控制環(huán)帶寬的十分之一，才能更好地進行前向濾波。電容和電感的選擇正確選擇電容和電感是影響濾波器性能的重要方面。選擇低ESL、低ESR的高頻衰減電容器輸出紋波低。大多數(shù)普