用LC滤波器降低电源纹波,暗藏着风险
洪武ea
2020年10月12日 21:28

【推荐仔细阅读参考文献,本文类似索引补充

在STM32前使用LC为电源滤波

众所周知,LC输出滤波器可以抑制电源的高频纹波,可以与电源故有的输出电容构成π型滤波,受到大家的喜爱,但它对电源的动态性能有巨大影响,有可能引起自激振荡。这是由于LDO内部有着极为复杂的补偿电路[1],但它基本为阻性负载设计:

当纯阻性负载RL(并联电容CL)更换为CLCR网络后,负载特性发生改变,进而影响了环路稳定性,其结论如下[2],更详细的实验和推导推荐百度搜索原始文献

而这样的事情在开关电源中同样严重[3]

上图将反馈取在了π型滤波器的右边,也就是滤波器处于环路之中,但即使取在左边依然会影响环路,并且电感的ESR会导致直流精度下降。

最差的情况就是自激振荡啦[4]

磁珠构成的LC滤波器导致了次谐波振荡

但控制策略多种多样,我们也有有效但复杂的控制策略来使用多级LC滤波[5]


上面的分析相对抽象,而且主要针对电源稳定性而言。现在考虑最简单直观的电池供电,它是不涉及环路的开环供电。但如果使用LC滤波,在上电瞬间会发生LC串联谐振,在元件引脚上产生高压

另外一个问题就是,电感阻碍了电流的流动,使得负载跳变时电压无法及时响应

此外电感的寄生电阻也会对直流性能产生影响。


但实际中我们也可以见到很多输出π型滤波,它们一般使用很小的电感值与大容值电容相配合,或让LC后级滤波的谐振频率提高到开关频率附近,把电感对环路的影响近似忽略,当然也可能直接将穿越频率下压,牺牲瞬态性能换取较低的稳态纹波

带二级LC滤波的电压模式单管正激电源

小功率反激电源也喜爱使用第二级的LC滤波,除了上面的策略之外,一些单片控制芯片在内部集成了复杂的补偿,本身也并非典型PWM控制,很好地解决了这个问题

最后,祝大家炸管愉快

Ref:

1.一种快速响应、低噪声低压差线性稳压器的设计与研究

2.LDO应用-Low Dropout调节器后级应用LC滤波器指导

3.设计开关电源中使用的 二级输出滤波器

4.电流模式变换器输出LC滤波器对反馈环影响

5.带有次级LC滤波器的电流模式降压转换器的建模与控制

(2~5均可百度到,推荐阅读)