卫星电源DCDC模块输入滤波器的设计.pdf

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1、卫星电源DC／DC模块输入滤波器的设计中国原子能科学研究院景立刚作为卫星的“心脏”，电源的可靠性要求很高。卫星电源系统中的DC/DC模块主要负责将输出的42V直流电压转换成其他等级的直流电压，以满足不同设备的用电需求。DC/DC模块输入滤波器有两个主要功能：一是阻止DC/DC模块产生的电磁干扰沿电力线传导以影响其他设备；二是阻止电力线上的高频电压传到DC/DC模块的输出端。LC无源滤波器具有上述两种功能。本设计目标是在滤波器的体积和成本之间达到平衡。无阻尼LC滤波器图1所示为无阻尼LC无源滤波器。理想情况下，一个二阶滤波器在谐振频率f0后每倍频衰减12dB。其在f0之前没

2、有增益，在谐振频率f0处增益达到峰值。(1)图1无阻尼LC滤波器二阶滤波器在设计上的一个关键因素是频率f0处的衰减特性。谐振频率处的增益非常大，同时也放大了该频率处的噪声。通过分析滤波器的传递函数可以更好地理解问题的本质。其传递函数为(2)传递函数也可用弧度来表示：(3)其中，，以弧度表示的谐振频率；是阻尼因子。该传递函数有两个负的极点和，阻尼因子ζ表示该角频率处的增益。当ζ<1时，两极点为复数，虚部使增益在谐振频率处达到峰值。图2不同阻尼因子时LC滤波器的传递函数阻尼因子越小，谐振频率处增益越大，达到理想零阻尼时增益为无穷大。然而，元器件的内阻限制了增益达到最大值。在此

3、，阻尼因子就像一个虚拟元件，妨碍增益达到峰值。在输入滤波器设计中，阻尼因子和系统性能关系很大，阻尼因子会影响反馈控制回路的传递函数，也会在开关电源输出端引起振荡。Middlebrook附加元素法则指出：如果输入滤波器的输出阻抗曲线远低于变换器的输入阻抗曲线，输入滤波器就不能明显改变变换器的闭环增益。换句话说，保持滤波器的输出阻抗峰值低于变换器的输入阻抗非常重要，因为这样能避免产生振荡（见图3）。图3滤波器输出阻抗和开关电源输入阻抗从设计观点上，根据阻尼因子最小值的1/√2倍（此时，谐振频率处增益衰减3dB），获得最佳的滤波器性能体积比，使控制系统达到良好的稳定性。并联阻尼

4、滤波器在大多数情况下，图1中的无阻尼二阶滤波器不易满足衰减要求，于是考虑选择阻尼滤波器。图4所示的阻尼滤波器由电阻Rd和电容Cd先串联再与滤波器电容C并联构成。电阻Rd的作用是降低滤波器在谐振频率处的输出阻抗峰值；电容Cd抑制输入电压的直流成分，防止Rd消耗功率。图4并联阻尼滤波器为了不影响LC主滤波器的谐振频率，电容Cd在谐振频率处的阻抗应小于Rd，且比滤波器的电容值要大。滤波器的输出阻抗可根据三个并联的方框阻抗来计算：(4)传递函数为(5)此处，Zeq2.3为Z2和Z3并联值。传递函数上有一个零点和三个极点，零点和第一个极点非常接近地位于频率ω≈1/RdCd处，另两个

5、主极点落在谐振频率处。近似计算中，零点和第一个极点可以忽略不计，则此公式近似表达了一个二阶滤波器（当频率大于ω≈1/RdCd时，(1+RdCds)≈RdCds)）。(6)并联阻尼滤波器的近似计算公式和无阻尼滤波器的传递函数相同，唯一区别是阻尼因子ζ的计算要加上电阻Rd。图5和图6分别为并联阻尼滤波器的输出阻抗和传递函数。图5并联阻尼滤波器输出阻抗图6并联阻尼滤波器传递函数串联阻尼滤波器阻尼滤波器的另一种形式是电阻Rd和电感Ld串联后再和滤波器电感L并联（见图7），在谐振频率处电阻Rd比Ld阻抗值高。图7串联阻尼滤波器和并联滤波器一样，串联滤波器的输出阻抗和传递函数可由公式

6、(7)、(8)计算。(7)(8)此处，Ld=nL。从串联阻尼滤波器的传递函数可近似计算出：(9)当阻尼因子时，峰值被最小化。最优阻尼电阻值为：。这里，n=2/15。串联阻尼滤波器的缺点是高频衰减能力弱化了（见图10）。多级滤波器多级滤波器高频时衰减能力强且体积小、成本低，因为当元件数量增加时，多级滤波器允许使用较低值的电感和电容（见图8)。图8多级输入滤波器根据各方框阻抗，可计算出输出阻抗和传递函数。图9和图10是二阶阻尼滤波器、串联阻尼滤波器和无阻尼滤波器输出阻抗、传递函数之间的比较。图9串联阻尼滤波器和二阶阻尼滤波器输出阻抗图10串联阻尼滤波器和二阶阻尼滤波器传递函数

7、二阶滤波器优化如下：滤波器的输出阻抗峰值衰减80dB，输出阻抗峰值小于2Ω。开关电源抑制频率低于反馈控制环交点频率的噪声，输入滤波器应能抑制高频信号。输入滤波器谐振频率必须小于反馈控制环带宽的十分之一，才能更好地进行前向滤波。电容和电感的选择正确选择电容和电感是影响滤波器性能的重要方面。选择低ESL、低ESR的高频衰减电容器输出纹波低。大多数普通电容器为铝电解电容器。输出电容应该分成许多不同的小电容且并联在一起，电容的总值不变，这样具有低ESL、低ESR特性。选择的电感要能尽量减少滤波器的寄生电容，输入、输出引线要尽量隔得远一