正激式开关电源输出滤波特性的分析与仿真

     摘要：文中对正激式开关电源的输出I CR组合滤波特性进行了深入分析，在比较分析以往一些相关研究的基础上，从时域和频域计算仿真了LCR组合滤波器的功能性能以及关键零点频率，以指导变换器环路补偿设计。

　　0 引 言

　　开关电源和电力电子变换器的工作，要求输出参数在输入参数和输出负载变化的情况下保持稳定，并且不受其他扰动的影响，南于整个控制环路中有非线性元件，会引起响应与输入之间的相移，因此设计中一个非常重要的方面就是对整个电源的控制环路进行补偿，电源的很多输出特性都与控制环路的设计优劣息息相关 ，如在各种工况下的输出稳定性、输入与输出负载剧烈变化下的瞬态响应、以及抵抗各种噪声、电磁干扰的能力。可以说控制环路补偿设计与磁设计是开关电源和电力电子变换器设计的，也是难点，文献中有一些设计指导原则和示例。

　　因此，要求设计者对整个环路中的各个环节进行频率响应分析和环路补偿设计，只有分析清楚环路中的每一个细节可能引起的幅频、相频转移特性的变化，才会在调试中清楚调整每一个元件参数可能引起的电源特性的变化。一般来说，整个环路中可能引起相频特性明显变化的地方只有两处，一处是输出滤波环节，另一处就是误差放大补偿环节。深入分析清楚输出滤波环节，才能够准确无误地设计好需要的补偿环节，达到预期的设计要求。反之如果输出滤波环节分析不准，会误导出错误的补偿环节设计，整个产品的控制特性将出现非预期的结果 。

　　1 正激式变换器输出滤波特性的常规理论与存在问题

　　在正激式变换器中，由于变压器初次级同名端同时输送能量的原因，输出需要配置电感与电容形成LC滤波器。由于常规电解电容中存在的等效串联电阻（ESR）的影响，整个输出滤波频率相应会出现一个额外的零点频率，这个零点频率的两端将是一40 dB／dec和一20 dB／dec的幅频特性斜率，环路补偿设计必须根据这个输出滤波特性进行相应的补偿设计。

　　在以往的一些文献中（图1），给出了对常规LC输出滤波特性的简要分析和确定各个频率拐点的公式，首先出现Lc滤波的特征频率拐点，在此频率之后幅频特性以一40 dB／dec的斜率下降，相频特性则向一180°相移。之后随着频率越来越高，并联电容的阻抗越来越小，电容的等效串联电阻开始在p滤波特性中表现逐步明显，当频率增高到时，此时Rcsr=2πfecsrL，相位提高45°。当频率继续升高，输出滤波电路变为LR电路，斜率转变为按一20dB／dec衰减，相移趋向滞后90°。

图1 常规LC滤波幅频特性

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