不同滤波形式的差别

confucius · 发表于 2015-11-11 09:57

对比了不同的滤波形式之间的差距，由于机箱体积的原因，没有使用C-L-C的滤波形式，最终采用的滤波形式是C-R-C形式。考虑到电压、发热等问题，最终的滤波电阻选的较小，是0.68Ω的。所以，滤波效果并不是太好。但是，仍然具有很好的代表性。

整机的输出电流维持在~1A，属于恒定电流输出，变压器的次级输出是交流双12V。图中L1、L2使用0.68Ω/5W电阻进行替换，电感使用计算机被动PFC电感。

对比了400mA单电源时不同情况的滤波情况，单电源整流滤波与图1差不多。

市电测试波形与变压器空载时次级的波形基本上一致，在此处只列出220V的波形图。作为对比，图1中变压器带载时的图也一并附上。

220V市电基本上算是正常的正弦波，而变压器次级波形在接负载后有明显的畸变。测试另外一个R型变压器的输出时，在有负载时也出现明显的削波现象。下图看起来就更加明显的有削波现象，图2是1A的情况，图3则是大约400mA的情况。图3中右图蓝色线是电容上的直流电压波形，绿色线是变压器次级的电压波形；左边蓝色线是电容上的纹波或者说是充放电曲线。

变压器次级电压测试结果是：Vrms=30.0V，Vpp=80.0V；空载：Vrms=32.0V，Vpp=90.8V；削波的原因，应当是在电压高于电容电压才充电引起的。变压器在大部分时间对电容都是非充电状态，只在很小的时间段才是充电的。在一个周期（20ms）内共计有两次每次4ms的充电时间（充电电压从40.0V跌落至36.8V，这个比较容易理解），其余12ms时间变压器都是空闲的（变压器在60%的时间内都是空闲的）。

不同滤波形式的结果如表1所示，表中C7=10000μF/35F，C9=2700μF/27V；R1=1Ω/5W，R2=1.7Ω/5W；L=61.1mH（100Hz参数，直流阻抗1.70Ω，50Hz时电感量是62.5mH。）。

从表1可以看出，采用两个电容并联，确实可以降低一定的纹波。但是，这种降低效果，不如C-R-C效果来的明显，同样的电容，只在中间串连了一个0.68Ω的电阻纹波可以降低52%，串联1.5Ω的电阻，可以降低纹波81%，而俩电容并联，只降低14%。C-R-C滤波比单纯的电容并联可以更好的降低纹波。由于电感的直流阻抗是1.7Ω，所以对比了C-L-C滤波和采用1.7Ω电阻代替电感的实验以消除实验中的疑虑。由表1可以知道，C-L-C可以更有效的降低纹波。排除电阻降低的纹波40mV，则单纯由电感降低的纹波是208-40-5.4=162.6mV，由电感单独降低的纹波是78%。

图4是三种滤波，电源纹波的波形图。图中最左边是单独一个电容滤波后的纹波图，中间是C-R-C滤波后的纹波波形，右边是C-L-C滤波后的纹波波形。注意，图中的分辨率是不同的，C-L-C滤波的分辨率是5mV。

从图4中可以看出，不同的滤波方式，最终的纹波波形也是不一样的。其频率都是100Hz，采用电阻和电感滤波后，纹波变得更加平滑一些。图中，明显包含两组不同的波形，应该是全桥内部二极管的差异造成的。

表2是单电源时相同的电容滤波的情况，表中C3=C4=5600μF/63V；R3=15Ω/20W，电感仍然是上述表1中所采用的电感。

采用俩同样的电容并联，纹波可以降低大约一半。而更大的电阻，R2=15Ω，则起到的滤波效果更好，可以降低98%的纹波。而此时，电感可以降低的纹波是99%。所以，在采用更大电阻的情况下，滤波效果不次于电感。而好处是：成本更低，体积更小。缺点可能是电源内阻的增加，耗电量也增加不少。

上述表1与表2中使用的整流全桥是不一样的：表1中使用的是D15XBS6（肖特基全桥），而表2使用的是普通整流全桥（D3SB60）。

图5是C-R-C和C-L-C两种滤波形式下，电阻和电感上的波形。由于电阻较大，所以，二者的波形很相似。

表3中列出了电阻与电感的直流参数以及工作状态下的数值。表中的电流，是根据电流、电阻得出的计算值。从表3可以看出，采用不同的滤波方式，电路的电流基本上是一致的。

表3列出了不同滤波情况下的交流参数。表中的交流电流是根据测试结果进行计算得出的。从表3可以看出，同样电流情况下，二者上边的压降基本上相同，但是，流过的交流成分差别却很大，一个是11.3mA一个是4.6mA。说明电感可以更有效的阻止交流通过。

最后，是肖特基整流与普通二极管整流的对比。实验中，使用的是D15XBS6与D5SB20。实验中，电流大约是1A。实验中使用了WIMA的0.1μF金属膜电容，并联到全桥的四个二极管上，对比了二极管并联与否电容对滤波效果的比较。

从表5可以看出，采用肖特基整流全桥与使用普通二极管整流，考虑到示波器的测试误差，实际上没有区别。而在二极管上并联与不并联二极管，在工频整流滤波应用上，对电源的噪音不会有什么作用。肖特基二极管整流的最大好处可能就只有低压差了。

测试了开关电源采用外加滤波磁环和低频铁芯电感滤波时的差异。开关电源分别使用Idec（24V/4.5A）和XP Power（24V/10A）工业电源，采用同一负载，电流2.2A~2.5A之间。开关电源的开关频率采用万用表测量，其余采用示波器测量。

结合前边工频滤波的结果可以知道，使用铁芯电感对设计不好的开关电源纹波降低会有一定的效果，但效果较差，50Hz工频电源效果会更明显，磁环则更适宜于高频滤波。对于设计良好的电源而言，使用外加滤波，除了增加纹波之外毫无意义。设计良好的开关电源，可以满足纹波系数低于0.1%（标准是不高于1%，也就是纹波不高于190mV）的要求。对于Idec的开关电源，干扰竟然主要是100Hz（包含大约4组均为100Hz的噪音），这个应该是220V整流后的纹波调制到电源开关管上的结果。如果把100Hz展开看，上边会有很多高频干扰，估计是开关变压器低压侧整流二极管和电源开关管的开关噪音。