直流变换器的输入滤波器分析与设计

　　最近初识输入滤波电路，将功能分析记录如下，欢迎各位大佬批评指正。未完待续~~~

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1、作用

　　滤波电路种类较多，但在功率变换器里面，常用的滤波电路电路是π型滤波器。

　　主要目的是用于降低电流纹波，降低EMI，也更有利于多级功率变换器级联。

2、原理分析

　　以Buck电路为例，输入滤波电路是由电感电容组成的π型无源滤波电路。输出滤波电路是LC低通滤波器。

　　由于开关管电流是由负载决定的反射电流，根据结点电流平衡原理可得下图，其中 i_in(t) = i_g(t) + i_Cin(t)

　　电容Cin基本上流过开关管电流的交流分量，电感Lin基本上流过开关管电流的直流分量。其时域电流波形下图所示，需要注意的是，电容电荷平衡，也就是说当电路处于稳态的时候，电容充电与放电需要相等，以此来实现电荷平衡。

　　基于上文分析的流过滤波电容的波形，滤波电容ESR上的电压和理想电容Cin_c上的电压波形然后与输入电压叠加成滤波电容上的电压波形。 　　

  其中，ESR上电压波形与滤波电流波形成正比，理想电容上电压波形与滤波电流波形的积分成正比。

  滤波电容ESR和电容的电压波形见下图所示。

3、损耗计算

　　由上文分析可知，输入i_in电流近似于开关管电流的平均值，流过电容C_in的电流近似于开关管电流的交流分量。根据电感L_in和电容的C_in的寄生电阻等效图，可以估算滤波器的元件损耗。

　　对于滤波电感，其损耗为：

　　对于滤波电容，其损耗为：

4、改进与思考

• 上述损耗的计算是基于开关管交流分量完全走滤波电容，开关管直流分量完全走滤波电感的假设。这个假设的前提条件是滤波电感和滤波电容无限大。

　　然而，实际工程上滤波电感和滤波电容值是有限的数值，工程上，常常将输入滤波器的截止频率设定为开关频率的1/10~1/4之间，这样的性价比最高。

　　因此i_in(t)也叠加了少量的交流电流。因此，上述计算存在误差。

• 对于功率电感来说，使用电流有效值和ESR来计算损耗忽视了趋肤效应和邻近效应产生涡流带来的损耗，导致计算结果有可能偏低 。