電源設(shè)計經(jīng)驗談 3：阻尼輸入濾波器——第一部分

開關(guān)調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器，因
為它們更高效，而開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則十分依
賴輸入濾波器。這種電路元件與電源的典
型負(fù)動態(tài)阻抗相結(jié)合，可以誘發(fā)振蕩問題。
本文將闡述如何避免此類問題的出現(xiàn)。
一般而言，所有的電源都在一個給定
輸入范圍保持其效率。因此，輸入功率或
多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖 1
顯示的是一個開關(guān)電源的特征。隨著電壓
的下降，電流不斷上升。

 
圖  1  開關(guān)電源表現(xiàn)出的負(fù)阻抗

負(fù)輸入阻抗
電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率，其從
本質(zhì)上定義了電源的動態(tài)阻抗。這根線的
斜率等于負(fù)輸入電壓除以輸入電流。也就
是說，由 Pin = V . I，可以得出 V = Pin/I；
并由此可得 dV/dI = –Pin/I2  或 dV/dI
≈  –V/I。該近似值有些過于簡單，因為
控制環(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但
是很多時候，當(dāng)涉及電流模式控制時這種
簡單近似值就已足夠了。
為什么需要輸入濾波器
開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流，
并且在輸入電流得不到濾波的情況下其
會中斷系統(tǒng)的運行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集
成了一個如圖 2  所示類型的濾波器。電
容為功率級的開關(guān)電流提供了一個低阻
抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了
一個高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源
極的開關(guān)電流最小化。在低頻率時，該濾
波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高
頻率的同時，電感阻抗也隨之增加。在極
高頻率時，輸出電容分流阻抗。在中間頻
率時，電感和電容實質(zhì)上就形成了一種并
聯(lián)諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現(xiàn)
出較高的電阻。
大多數(shù)情況下，峰值電源阻抗可以通
過首先確定濾波器 (Zo)  的特性阻抗來估
算得出，而濾波器特性阻抗等于電感除以
電容所得值的平方根。這就是諧振下電感
或者電容的阻抗。接下來，對電容的等效
串聯(lián)電阻 (ESR)  和電感的電阻求和。這樣
便得到電路的 Q  值。峰值電源阻抗大約
等于 Zo  乘以電路的 Q  值。振蕩
但是，開關(guān)的諧振濾波器與電源負(fù)阻
抗耦合后會出現(xiàn)問題。圖 3  顯示的是在
一個電壓驅(qū)動串聯(lián)電路中值相等、極性相
反的兩個電阻。這種情況下，輸出電壓趨
向于無窮大。當(dāng)您獲得由諧振輸入濾波器
等效電阻所提供電源的負(fù)電阻時，您也就
會面臨一個類似的電源系統(tǒng)情況；這時，
電路往往就會出現(xiàn)振蕩。