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[导读]BUCK电路输出一般只需要一级LC滤波器, 根据传递函数得知,会产生两个极点和180°相移,对于干扰噪声有-40dB/10dec的衰减能力。对于特定产品在RE测试时候,尤其是车载产品,RF的限定标准严苛,滤波效果不好,很容易下高频处超标。

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BUCK 电路输出一般只需要一级LC滤波器,

「精品原创」BUCK两级滤波器电路设计,只有老司机才能看得懂

根据传递函数得知,会产生两个极点和180°相移,对于干扰噪声有-40dB/10dec的衰减能力。对于特定产品在RE测试时候,尤其是车载产品,RF的限定标准严苛,滤波效果不好,很容易下高频处超标。就需要用两级LC滤波器。实现-80dB/10dec的衰减能力。但是使用两级的LC滤波器,两个滤波器的极点相互干扰,容易引起环路不稳定的情形发生,尤其是第二级LC滤波器的谐振频率太靠近第一级LC滤波器的谐振频率,就会造成输出波形振荡的状况发生。在我的实际调试同行如下图显示,两级LC滤波器的谐振频率靠的太近,造成PWM开关频率的波形开始振荡。

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根据大量经验公式,第二级LC滤波器的谐振频率fh要大于第一级LC滤波器的谐振频率fl十倍以上,这样系统环路才稳定的。当然,这个十倍的关系,可以通过优化layout,电感电容寄生参数优化,可以根据实际的调试结果减小,这个不是绝对值。

现在关键的部分来了,如何确定fh和fl的参数。

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根据国外电源控制系统专家RIDLEY的文章,这两级LC滤波器,假设Rcf=Rco=0,负载开路Rl=∞,利用文章的介绍,利用mathCAD我重写了传递函数,可以得到

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其中wp为第一级LC滤波器的角频率,wf为第二级LC滤波器的角频率。因此可以得到第一级滤波器的谐振频率fl:

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 第二级滤波器的谐振频率fh:

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通过公式可以看出,fl被两级滤波器并联电容和大电感决定的,fh被两级滤波器串联电容和小电感决定的。但是通过实际仿真,是假定Cf>>Co的情形下,fl和fh符合公式的。这个谐振频率的公式在很多地方都直接引用看。

但是利用具体参数分别实际计算和仿真,就能防线这个公式是有一定局限性的。以下有实际电感电容来计算和仿真:

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通过仿真可以看出,仿真和matchCAD计算相差有相当的差距。但是只要Cf>>Co的条件满足,一般这个差距就会缩小,感兴趣的可以仿真验证的。所以RIDLEY大神的文章中提及的公式是经过化简的,需要满足一定条件的,所以我尝试写出完整的传递函数,利用 EET(extra element theorem)重写原始传递函数,

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对公式进行化简可以得到两级滤波器的角频率,详细推导过程感兴趣的可以自己推导的。新推导的两个角频率公式在满足Cf>>Co的情形下,通过归一化处理,可以得到和RIDLEY文章中一样的结果。 这个新推导的谐振频率公式在现有的论文文献中还没出现,说不定是全网首发呢,哈哈。但是由于第二级LC滤波器的谐振频率要高于第一级滤波器谐振频率的十倍以上,考虑到电感的成本效率等因素,因此第二级LC滤波器的电容会比第一级LC滤波器的电容小多了,所以RIDLEY文章中提到的谐振频率公式是完全适用的,和我推导出的公式计算的结果是一样的。

随后我通过新推导的谐振频率的两个公式,再次带入上文中用到的参数,得到两级滤波器的谐振频率。和仿真结果达到了完全一致的。因此适用面更广泛的。

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利用这两个公式,在设计两级滤波器的时候,可以知道电感电容对谐振频率的影响。如果要保证第一次谐振频率不变,但要拉大一二级滤波器谐振频率的距离(保证系统稳定性),可以知道如何选择电感电容的参数。对于电容负载电感负载对谐振频率的影响,感兴趣的小伙伴可以参考RIDLEY的文章-《Secondary LC Filter Analysis and Design Techniques for Current-Mode-Controlled Converters》《2 second stage filter design》,会大有裨益的。这个文章是自己一点心得,写的不对还请大家多多指正。

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