开关电源输⼊：共模电感，X电容，Y电容，差摸电感理论计算！ 通知：张飞⽆⼈机配件、视频教程已在官⽅商城上架（点击蓝字查看详情）！
摘要
在便携式仪器中，只能使⽤电池为系统供电。通常电池电压⽐较低，系统中经常需要使⽤⼩功率开关电源电路对低电压进⾏电压变换，满⾜系统中不同功能模块的需求。然⽽，使⽤开关电源必将引⼊纹波噪声，如何降低该纹波噪声成为系统设计的⼀个重要问题。开关电源的纹波抑制器通常使⽤C 型、LC型、CLC 型⽆源滤波器。π型三阶低通CLC 滤波器由于其结构简单，体积⼩，性能⾼等优点得到了⼴泛的应⽤。根据开关电源的公式，输出纹波和输出电容值成反⽐，电感内电流波动⼤⼩和电感值成反⽐。理论上使⽤标称值⼤的电容、电感可以得到较好的纹波抑制效果。实际应⽤ 中，CLC 电路中不同类型的电解电容及不同标称值的电容、电感]对电源纹波的抑制效果究竟有什么样的影响尚⽆相关⽂章指出。因此，有必要对CLC 滤波电路进⾏实际测试研究。
本⽂采⽤MAX606 设计了12 V 的⼩功率开关电源，使⽤CLC 滤波器对电源输出纹波进⾏抑制。通过使⽤不同类型电解电容及不同标称值的电容、电感，研究了CLC 滤波器的特性，得到了降低⼩功率开关电
源纹波的简单⽅法。
1、电路设计
MAX606 是⼀款⼩型CMOS 升压式DC/DC 转换器，其输⼊范围3.0～5.5 V，输出固定5 V/12 V 或可调输出范围Vin～12.5 V，精度为±4%。MAX606 的开关频率⾼达1 MHz，在5 V输出时可提供⾼达180 mA 的电流，⼴泛应⽤于PCMCIA 卡、存储卡、数码相机和⼿持式仪器中。
设计电路如图1 所⽰，测试时输⼊端使⽤3.6 V 的锂电池进⾏供电，使⽤π型CLC 低通滤波电路对MAX606 输出端进⾏纹波滤波。
图1 虚线框内为CLC 滤波电路，通过更改Cin、Cout、L1 的相关参数，研究其对输出纹波的抑制特性。
2、π型CLC 滤波特性分析
考虑到电源输出阻抗，将图1 虚线框中所⽰CLC 电路的等效电路⽤图2 表⽰，为了便于分析加⼊了负载RL，RS为电源输出阻抗。 图2 中Ui为开关电源的输出端，Uo为输出到负载两端的电压。
2.1 CLC 滤波电路理论分析
电源信号输⼊C1两端之后，负载RL上的直流电压为：
式（1）表明加⼊电感L 将使UL 变⼩，影响电源的负载调整率。若要使输出电压稳定，应选⽤等效串联电阻⼩的电感器件，电感器的等效串联电阻由其绕制导线的直流电阻决定。
对于开关电源输出⽽⾔，其交流信号即为电源纹波信号根据CLC 滤波电路传递函数：
从式（2）可以看出，随频率增⼤，纹波衰减越⼤；Cin、Cout 越⼤，纹波衰减越⼤，因此，π型CLC 滤波器对电源纹波有⼀定的抑制作⽤。但是，式（2）是在L、C 均为理想情况下得出的，并未考虑实际电感电容的材料及它们的寄⽣参数。
2.2 实际测试分析
2.2 实际测试分析
测试数据由泰克⽰波器TDS2022B (200 MHz、2 GS/s)、交流数字毫伏表KH-DD 型(10 Hz～2 MHz)测量所得，负载使⽤ZX21 型直流多值电阻器。
2.2.1 ⽆滤波电路时电源输出纹波波形
图3 所⽰为空载时MAX606 输出电压纹波波形(Uo≈12 V)，即开关纹波，其频率为1.18 kHz，波形稳定，Vpp=240 mV。图4 所⽰为负载120 Ω时输出电压的纹波波形，从图4 中可以看出加⼊负载后电源纹波变得⽐较复杂，其最⾼Vpp 达到1.2 V。为系统供电时，该纹波将会对系统造成严重危害，必须对此纹波进⾏抑制。
2.2.2 π型CLC 滤波电路中不同类型电解电容下纹波随负载的变化
在图1 的CLC 滤波电路中，Cin、Cout 分别使⽤三种常见类型的电解电容（容值为220 µF/16 V），电感使⽤环形电感（电感值120 µH），依次改变负载⼤⼩，使⽤交流毫伏表测量其纹波电压有效值，得到如图5 所⽰的曲线图。
从图5 曲线可以看出，随负载阻值逐渐增⼤，电源纹波有效值先急剧增⼤，后逐渐减⼩，在160 Ω时三种类型电解电容输出纹波均很低，满⾜⼀般系统的电源纹波要求。从图5 还可以看出整体⽔平上，普通直插式铝电解电容纹波抑制能⼒最差，贴⽚钽电解次之，贴⽚铝电解滤波效果最佳。当负载阻值⼩于500 Ω时，贴⽚铝电解滤波效果最佳。当负载阻值⼤于500 Ω时，钽电解的滤波效果是最佳的。
图6 所⽰为负载是300 Ω时不同类型电解电容下所测量到的纹波波形，可以明显看出使⽤贴⽚铝电解纹波最⼩，使⽤普通铝电解纹波较⼤且纹波具有⽑刺，使⽤贴⽚钽电解纹波有所减⼩且⽑刺也有很⼤程度的改善。
图7 所⽰为负载120 Ω时不同类型电解电容下所测量得到的纹波波形。对⽐图4 可以看出，经过π型CLC 滤波后，纹波已被抑制到很⼩范围。从图7 可以看出，此时钽电解电容的纹波抑制能⼒最好，纹波波形中⽑刺幅度也变⼩。
综上所述，考虑到实际⼯作时，⼀般电路所需电流均为数⼗毫安，在整体⽔平上推荐滤波电路使⽤贴⽚铝电解电容。当负载很重（负载值⼩）时，则推荐使⽤钽电解电容器。
2.2.3 不同电感值下纹波随负载的变化
电容固定（贴⽚钽电解220 µF/16 V），改变图1 中CLC 滤波电路的电感值⼤⼩，测量不同负载时纹波的有效值，得到如图8 所⽰的曲线图，其中电感使⽤的是⼸形电感。
从图8 中可以看出，随电感值增⼤，电源纹波减⼩，对于mH 级电感消除纹波效果⾮常明显。采⽤1 mH 电感时，纹波电压有效值仅3 mV，采⽤4.7 mH 时，纹波电压有效值可降低⾄1.8 mV。
图9 所⽰为负载为300 Ω时不同电感值下纹波波形图，从图9 中可以看出，随电感值增⼤，纹波被抑制程度越⼤，输出纹波越⼩。当电感值增⼤到1 mH 时，纹波效果最好，且输出基本上没有⽑刺。
2.2.4 不同电容值下负载对纹波的影响
图10 所⽰为在不同电容值（贴⽚钽电解）下，改变电感和负载并测量负载上的电源纹波有效值所得出的曲线图。
贴片铝电解电容
从图10 中可以看出，随电感、负载的变化纹波抑制趋势⼤体相同，可以看出电容的增⼤对纹波的抑制较⼩，且纹波有效值并不随电容值的增⼤⽽得到抑制，电感值的增⼤对电源纹波的抑制起决定性的作⽤。但是，选择电容值时宜选取100 µF 以上的电容，才可以得到较好的纹波抑制效果。
3、总结
π型CLC 滤波电路在⼩功率开关电源中能够起到较好的纹波抑制效果，通过改变电解电容的类型，调整电容值和电感值的⼤⼩，能够显著提⾼抑制纹波性能。对CLC 滤波电路进⾏的特性分析能够为设计⾼质量⼩功率开关电源提供参考。
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