【導讀】本篇文章以輸出濾波、輸入濾波、逆變輸出濾波三個設計為例，對其進行了非常全面的分析和總結。用實例化的方式講解了開關電源中變壓器濾波仿真的知識，希望大家在閱讀過本篇文章之后，能對這方面的知識有進一步的了解。
之前小編為大家整理了開關電源中變壓器的濾波仿真設計，其主要對理論方面進行了介紹，在本篇文章當中，將對濾波設計進行實際的舉例，并對每種方法添加小結，方便初學者學習。
舉例一：（典型）輸出濾波
以50KHz、100W（120W）反激電源為例，當前紋波指標為30mV。
圖1
要求：達到2mV的紋波精度。
方法一：加大輸出濾波電容
將現用濾波電容C2的2200uF增加15倍，即33mF，輸出紋波則對應降低15倍（沒考慮ESR），即等于2mV。如果覺得33mF25V的海量電解不好找，或者不合算，那么可使用第二種方法。
方法二：增加一級LC濾波
圖2
當Co1=Co2=470uF時，配合一個5A1.3uH的電感，輸出（與PWM同頻的）紋波即可下降到1.6mV以下?；蛘?，當Co1=Co2=330uF時，配合一個5A2.2uH的電感，輸出紋波即可下降到2.0mV左右。
可見，即使增加一點點LC濾波。對輸出紋波、成本、體積的改善都是非常顯著的。
圖3
再來看濾波電感的工況，電流的直流成分5.0A，交流成分0.1A左右，大約只占2%。
也就是說，這個電感基本上就是個直流偏電感，交流成分甚微。這意味著可以不必使用高級材料，也不考慮集膚效應，用普通鐵粉芯磁環(huán)單股繞制即可。
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下面是這個電感的設計參數：
圖4
小結
在輸出端增加LC濾波網絡是很簡單的事情，只要將濾波電容一分為二、（隨便）插入一個電感就能使（不插入電感等效于原電路）濾波效果顯著提升，而且效果總是比單電容濾波效果好。因此這里有三個需要注意的地方。
第一、工程師應該隨時想到：“我那個濾波電容是不是應該分成二個，中間插個小工字?”而且不用算，肯定比單電容好。
第二、此法在同等情況下提高濾波效果，或者在同等濾波效果下降低成本、縮小體積，甚至縮小PCB面積。
第三、既然不增加成本（甚至降低成本）就能夠實現，因此在拓撲里面（的電感上或者控制模式上）去打主意減少紋波就是一件既費力又不討好的事情，什么“某某拓撲、某某模式紋波大”的問題也不再應是問題。
舉例二：逆變輸出濾波
逆變電源輸出濾波的特殊性在于：逆變電源總希望一個最小的Cout。如果Cout太大，在輕載或者空載狀態(tài)很難保證輸出波形的正確。因此，逆變器的輸出濾波問題歸結為：如何用一個最小的Cout獲得最好的濾波效果。
現在就按照HolyFaith提出的5KW單相逆變器（載波20K、輸出220VAC、50Hz）為例，設計這個濾波。為簡化問題就不去做SPWM驅動了，大致擬訂一個全橋逆變的運行參數，仿真電路如下：
圖5
輸入電壓400VDC。輸出220VDC5KW，負載電阻Rz=9.68Ω，給出正確的驅動邏輯（正半周關閉Q2、Q3），調整占空直到輸出峰值電壓311V。可得到輸出紋波參數。
電路中有2個電感，l1是拓撲儲能電感，l2是濾波電感，兩電感雖然工況不同，但是都工作在大直流偏置狀態(tài)，偏置電流基本相當。因此，可以先采用相等的電感量進行仿真，這樣2個電感的磁、銅量大致相當。
C1、C2是濾波電容，其大小影響調節(jié)性能，不能太大，暫時擬訂一個值、且相等。
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不同的LC對應不同的濾波效果，以紋波指標Vpp<1V（大致與10位AD匹配）為例，可得到l1=l2=400uH、C1=C2=3.3uF這一組配合。
圖6
如圖6所示，輸出總電容=6.6uF，輸出紋波0.85V，l1峰值電流37A，l2峰值電流32A。
電感設計
環(huán)數為11的話，盡量采用鐵硅鋁，因為不容易飽和，成本也不高。經過仿真和計算配合運算，得到如下中間設計成果：l1環(huán)可以用導磁率為26、型號為77191的鐵硅鋁環(huán)2~6只制作，有關參數如圖7。
l2環(huán)可以考慮與l1同樣尺寸的鐵粉芯磁環(huán)制作。即外徑57.2mm、型號T225-52的藍綠環(huán)2~6只。這里，“同樣尺寸”不是設計優(yōu)化需要，而是一種心理的、感官的合理性，或許暗藏成本、效率的合理性，如果濾波電感比主電感還大，感覺就喧賓奪主了。
圖7
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電容的設計
電感設計是以逆變輸出的峰值電壓為設計工況，因為這個工況產生最大的電流峰值，決定了電感的極限特征。然而，由于逆變輸出峰值電壓時占空比最大，不一定是紋波最大，因此，電容的設計應該以紋波最大的工況為設計依據。
以三只磁環(huán)疊繞的電感為例，仿真找出輸出紋波最大值大約發(fā)生在占空比=0.8時。
不同的磁性材料、電路和電感參數，最大紋波發(fā)生的占空是不同的。更重要的是，不同的電感需要不同的電容配合才能達到需要的紋波。
下面是滿足1V紋波指標上述4種電感需要的電容配合：
圖8
舉例三：輸入濾波網絡
圖9
這里輸入端的情況與輸出端有所不同。如果輸入是電流源，Cin的存在是電壓型拓撲必須的，Cin可理解為單純的二端電壓濾波網絡，更復雜的三端或者四端濾波也可以就此展開。
而一般情況下，輸入是電壓源（而且不是理想的電壓源，有內阻），這就引發(fā)了以下問題。
1、電壓源與電壓型拓撲是相適應的，Cin似乎是多余的，依靠Cin針對紋波電壓的濾波的必要性就成了問題。
2、電壓源與Cin是沖突的，因為Cin也可以看成是電壓源，而兩個電壓源的并聯是不允許的。就是說，Cin不能太大。
3、對于AC/DC變換，必須用很大的Cin才能獲得穩(wěn)定的母線電壓，這時就要軟啟動。
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因此，針對電壓型拓撲輸入端的濾波更多的是對于紋波電流（而不是電壓）的濾波，而且與電壓源直接并聯的Cin的大小受到了限制。
然而，輸入端濾波的任務卻是很繁重的，輸入濾波的重要性不僅體現在它必須給電源變換器提供一個穩(wěn)定的母線電壓，而且（或者是更重要的）它必須盡可能地減少電源變換器對一次電源的（紋波電流的）沖擊和干擾。
這種干擾隨著拓撲的不同明顯區(qū)分為共模干擾和差模干擾，一般情況是：
不隔離電路以差模干擾為主，共模干擾較少或者沒有，沒有的辦法也很簡單，全部接地（包括外殼和散熱器）。隔離電路除了同樣程度的差模干擾外，還有可觀的共模干擾存在，必須共模濾波。
關于差模干擾和共模干擾的研究文獻很多，這里不多說，主要強調一下基本的應對思路：
1、可以不采?。ɑ蛘呱俨扇。┎钅V波的情況是：上級電源輸出是個濾波電容（或者電池）；自身電源有一個大的輸入濾波電容（比如直接整流的AC/DC變換的直流母線濾波電容）；
2、除以上情況之外，均應采取差模濾波措施。
3、共模濾波必須在盡可能采取其他減少共模干擾的措施基礎上實施。不要只靠共模濾波來解決問題。
4、由于共模濾波和差模濾波的工況完全不一樣，應嚴格區(qū)分、分別處理，反對混為一談的處理方式。
5、一般的方式是：共模濾波在前、差模濾波在后。即：
圖10
