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濾波器的諧振響應分析

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2015/6/19 10:00:00

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您曾經(jīng)將輸入電壓接通到您的電源卻發(fā)現它已經(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(wèn)題所在。如果您迅速中斷感應元件中的電流便會(huì )出現類(lèi)似問(wèn)題。會(huì )出現這類(lèi)問(wèn)題的一些情況包括熱插拔電路或者試圖開(kāi)放輸入向電磁干擾(EMI)濾波器時(shí)。
圖1顯示了帶開(kāi)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) 系統的長(cháng)通電線(xiàn)路。該圖還顯示了步進(jìn)的輸入電壓波形，以及阻尼系數小于 1 時(shí)的生成輸出電壓。(大于 1 的阻尼系數沒(méi)有過(guò)沖。)更低阻尼系數的響應形式如下：

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 濾波器響應可導致會(huì )損壞下游電子元件的過(guò)電壓
高Q(低阻尼)系統為無(wú)阻尼，而濾波器輸出電壓可振鈴至兩倍輸入源 (Vin)。低 Q 系統會(huì )限制峰值振鈴電壓。圖 2 顯示了過(guò)沖百分比，其為阻尼比率的函數。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將一個(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。如果您的設計不能容忍這些損耗，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(lái)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(lái)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(guò)比預計更低的串聯(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(guò)沖。要檢驗在高 Q 系統中其是否會(huì )出現這種情況，請利用電壓階躍除以系統特性阻抗來(lái)計算峰值電流。之后，請參閱電感產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)確定其是否會(huì )飽和。

圖 2 增加阻尼比率(降低 Q)來(lái)減少過(guò)沖
總之，階躍輸入電壓帶來(lái)的濾波器振鈴可導致對下游電子元件有破壞性影響的電壓。特別是如 PoE 的系統，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(wèn)題。如果電壓達到不可接受的水平，則這些系統會(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(wèn)題的簡(jiǎn)單過(guò)程：
1)決定您的系統是否經(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(kāi)關(guān)或者熱插拔連接。
2)估算充電電感和濾波器電容。線(xiàn)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(xiàn)纜和連接器電阻，以及電容 ESR。
4)計算諧振頻率，確定輸入上升時(shí)間是否大大短于固有濾波器響應。
5)計算阻尼系數，并參考圖 2 來(lái)確定過(guò)沖。

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