濾波器的諧振響應(yīng)
您曾經(jīng)將輸入電壓接通到您的電源卻發(fā)現(xiàn)它已經(jīng)失效了嗎?短暫的輸入電壓上升時(shí)間和可產(chǎn)生兩倍于輸入電源電壓的高 Q 諧振電路可能會(huì)是問題所在。如果您迅速中斷感應(yīng)元件中的電流便會(huì)出現(xiàn)類似問題。會(huì)出現(xiàn)這類問題的一些情況包括熱插拔電路或者試圖開放輸入向電磁干擾 (EMI) 濾波器時(shí)。
圖 1 顯示了帶開關(guān)輸入的簡(jiǎn)化濾波器示意圖。電路的電感可以為有意的也可以是偶然發(fā)生的，例如：以太網(wǎng)供電 (PoE) 系統(tǒng)的長通電線路。該圖還顯示了步進(jìn)的輸入電壓波形，以及阻尼系數(shù)小于 1 時(shí)的生成輸出電壓。(大于 1 的阻尼系數(shù)沒有過沖。)更低阻尼系數(shù)的響應(yīng)形式如下：
其中:
得到串聯(lián)諧振電路以后，您會(huì)很容易地找到 Q，其就是特性阻抗除以串聯(lián)電阻，即：
圖 1 濾波器響應(yīng)可導(dǎo)致會(huì)損壞下游電子元件的過電壓
高 Q(低阻尼)系統(tǒng)為無阻尼，而濾波器輸出電壓可振鈴至兩倍輸入源 (Vin)。低 Q 系統(tǒng)會(huì)限制峰值振鈴電壓。圖 2 顯示了過沖百分比，其為阻尼比率的函數(shù)。使用 0.4(1.25 Q)阻尼比率可將振鈴電壓限定到源電壓的 130%。由于阻尼電阻的額外損耗或?qū)⒁粋€(gè)電阻與電容串聯(lián)產(chǎn)生的濾波損耗可能是不可接受的，因此這樣做或許并不切實(shí)際。如果您的設(shè)計(jì)不能容忍這些損耗，那么您需要添加一些額外的組件。例如，利用串聯(lián)電阻以及同濾波器電容 (C1) 并聯(lián)的電容器可以進(jìn)一步阻尼電路。您也可以使用熱插拔電路來限制濾波器的峰值電流;或者您可以將一個(gè)二極管同電感器并聯(lián)，以提供低阻抗電容充電。
事情并非如看起來那樣糟糕。電感器的電流會(huì)令其飽和，同時(shí)電容充電可以通過比預(yù)計(jì)更低的串聯(lián)電感進(jìn)行。如果電感飽和，則濾波器特性阻抗會(huì)像 Q 一樣下降，從而減少過沖。要檢驗(yàn)在高 Q 系統(tǒng)中其是否會(huì)出現(xiàn)這種情況，請(qǐng)利用電壓階躍除以系統(tǒng)特性阻抗來計(jì)算峰值電流。之后，請(qǐng)參閱電感產(chǎn)品說明書確定其是否會(huì)飽和。
圖 2 增加阻尼比率(降低 Q)來減少過沖
總之，階躍輸入電壓帶來的濾波器振鈴可導(dǎo)致對(duì)下游電子元件有破壞性影響的電壓。特別是如 PoE 的系統(tǒng)，在使用低損耗陶瓷電容和一些不飽和的電感時(shí)它們往往為高 Q，則上述電壓便成為問題。如果電壓達(dá)到不可接受的水平，則這些系統(tǒng)會(huì)需要更多的阻尼、電流限制或者一種替代充電方法。下面將介紹一種確定您是否存在問題的簡(jiǎn)單過程：
1)決定您的系統(tǒng)是否經(jīng)受低阻抗的電壓階躍，然后確定其上升時(shí)間。該電壓階躍可以是一個(gè)開關(guān)或者熱插拔連接。
2)估算充電電感和濾波器電容。線纜電感可估算為 15 nH/英寸。
3)確定充電通路的總電阻，包括電感、線纜和連接器電阻，以及電容 ESR。
4)計(jì)算諧振頻率 ，確定輸入上升時(shí)間是否大大短于固有濾波器響應(yīng)。
5)計(jì)算阻尼系數(shù) ，并參考圖 2 來確定過沖。
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