CN115833545A - 电源滤波器 - Google Patents

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CN115833545A CN202111091247.5A CN202111091247A CN115833545A CN 115833545 A CN115833545 A CN 115833545A CN 202111091247 A CN202111091247 A CN 202111091247A CN 115833545 A CN115833545 A CN 115833545A
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陆维佳
王磊
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李尚鹏
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Abstract

本公开提供一种电源滤波器。该电源滤波器可以包括：过压保护电路，以及与所述过压保护电路连接的LC滤波电路。其中，所述过压保护电路包括稳压调整管以及峰值补偿电路。所述峰值补偿电路被配置成在所述LC滤波电路的谐振频率上生成增益峰值，以补偿在所述LC滤波电路的谐振频率下出现的所述稳压调整管级的增益低谷。

Description

电源滤波器
技术领域
本公开总体涉及电子电路技术，尤其涉及电源滤波器。
背景技术
对于电源滤波器，例如，线路滤波器(line filter)，通常需要对其控制环路进行补偿。然而，由于电源滤波器所包括的LC滤波器在LC谐振频率下会给控制环路带来不稳定的影响，因此导致控制环路的补偿变得更加困难。
因此，需要一种用于电源滤波器的环路补偿的新的技术方案，以消除上述不稳定的影响。
发明内容
根据本公开的一方面提供一种电源滤波器。该电源滤波器可以包括：过压保护电路，以及与所述过压保护电路连接的LC滤波电路。其中，所述过压保护电路包括稳压调整管以及峰值补偿电路。所述峰值补偿电路被配置成在所述LC滤波电路的谐振频率上生成增益峰值，以补偿在所述LC滤波电路的谐振频率下出现的所述稳压调整管级的增益低谷。
根据一个或多个实施例，所述峰值补偿电路可以被实现为LCR并联谐振电路。
根据一个或多个实施例，所述峰值补偿电路可以包括并联连接的等效电感电路以及RC组件。
根据一个或多个实施例，所述RC组件包括并联连接的第一电阻和第一电容，并且所述等效电感电路可以包括运算放大器，以及连接于运算放大器的反向输入端和输出端之间的第二电阻。
根据一个或多个实施例，所述峰值补偿电路还可以包括串联连接的第一分压电阻和第二分压电阻。
根据一个或多个实施例，所述LC滤波电路可以包括串联连接的滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的第一端连接至所述稳压调整管，所述滤波电感的第二端连接至所述滤波电容的第一端，所述滤波电容的第二端连接至接地端。
根据一个或多个实施例，所述第一分压电阻的第一端连接于所述稳压调整管，且与所述滤波电感的第一端连接，所述第一分压电阻的第二端连接至所述第二分压电阻的第一端，所述第二分压电阻的第二端连接至接地端，所述第一分压电阻的第二端和所述第二分压电阻的第一端连接至所述运算放大器的正向输入端。
根据一个或多个实施例，所述第一电容的第一端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第一端还连接至所述运算放大器的反向输入端。
根据一个或多个实施例，所述稳压调整管可以是MOSFET调整管或三极管调整管。
根据一个或多个实施例，所述电源滤波器可以用于车辆，例如用于车辆的音频系统中。
附图说明
通过参考附图阅读对非限制性实施方案的以下描述，可更好地理解本公开，其中：
图1是一个示例性电源滤波器的结构示意图；
图2示出了图1所示电源滤波器中的M1级的增益-频率波特图；
图3示出了为了消除图2中出现的增益低谷(dip)所采用的方法示意图；
图4示出了根据本公开的一个或多个实施例的等效电感的原理示意图；
图5A示出了根据本公开的一个或多个实施例的电路原理示意图；图5B示出了在图5A的Vout点处测得的增益-频率波特图；
图6示出了根据本公开的一个或多个实施例的LCR谐振电路的简化原理示意图；
图7A和图7B示出了图6所示电路的等效变换形式；
图8示出了图6所示电路的增益-频率波特图；
图9示出了根据本公开的一个或多个实施例的电源滤波器电路的原理示意图；
图10示出了以图9为例示意性划分电路以用于测量增益；
图11A-图11C分别示出了对应于图10测量的增益-频率波特图。
具体实施方式
应当理解，给出实施例的以下描述仅仅是为了说明的目的，而不是限制性的。在附图中示出的功能块、模块或单元中的示例的划分不应被解释为表示这些功能块、模块或单元必须实现为物理上分离的单元。示出或描述的功能块、模块或单元可以实现为单独的单元、电路、芯片、功能块、模块或电路元件。一个或多个功能块或单元也可以在公共电路、芯片、电路元件或单元中实现。
单数术语(例如但不限于“一”)的使用并不旨在限制项目的数量。关系术语的使用，例如但不限于“顶部”、“底部”、“左”、“右”、“上部”、“下部”、“向下”、“向上”、“侧”、“第一”，“第二”(“第三”等)，“入口”，“出口”等用于书面说明是为了在具体参考附图时清楚，而非意图限制本公开或随附的权利要求书的范围，除非另外指出。术语“耦接”、“耦合”、“被耦合”、“耦合的”、“耦合器”和类似术语在本文中被广泛使用，并且可包括用于在其上固定、结合、粘结、紧固、附接、联合、插入、形成于其上或其中、连通，或否则与中间元件、一件或多件构件一起直接或间接地机械地、磁性地、电气地、化学地、可操作地关联，或者还可以包括但不限于是一个构件与另一个构件以统一方式一体地形成，的任何方法或装置。耦合可以在任何方向上发生，包括旋转地发生。术语“包括”和“诸如”是说明性的而非限制性的，除非另有说明，词语“可以”的意思是“可以，但不必须”。尽管在本公开中使用任何其他语言，但是在附图中示出的实施例是为了说明和解释的目的给出的示例，而不是本文的主题的唯一实施例。
图1是一个示例性电源滤波器的示意图。例如，图1所示的电源滤波器(例如，线路滤波器)可以包括过压保护(OVP)电路101以及LC滤波电路102。OVP电路101用于在负载突降和其他过压情况下钳位电压。OVP电路的工作原理类似于低压差线性稳压器(LDO)。例如，当输入电压低于钳位电压(例如17V)时，输出电压跟随输入电压。当输入电压高于钳位电压时，则输出电压被调节到钳位电压。LC滤波电路102用于滤除来自线束侧的瞬变，阻断负载向线束方向产生的纹波电流。
图1示例性示出了OVP电路101的主要部分，例如，可以包括稳压调整管M1，包括运算放大器U1的OVP控制逻辑电路，分压电阻R1和R2。LC滤波电路102例如可以包括电感器L1，和电容器C1。电感器L1和电容器C1构成LC谐振电路。在LC谐振频率下，从M1级侧看是低LC谐振阻抗，其主要由电感器的直流电阻(DCR)和电容器的等效串联电阻(ESR)决定。M1级的增益为：“负载阻抗”/(“负载阻抗”+“M1的输出阻抗”)。在LC谐振频率下，负载阻抗可能远小于M1的输出阻抗，此时，会导致在LC谐振频率处出现增益低谷(dip)。图2示出了M1级的增益-频率波特图，其中以实线表示的曲线是增益曲线，以虚线表示的曲线是相位曲线。从图2的波特图中的增益曲线可以看出，在LC谐振频率附近出现一个明显的增益低谷。而这个增益低谷将使得控制环路的补偿变得十分困难。
当补偿OVP控制环路时，这个增益中的低谷会使环路不稳定。在补偿最小相位系统的控制环路时，穿越频率处的开环增益～频率曲线斜率可以选择为-20dB/dec，以保持足够的相位裕度。其中，穿越频率是增益频率曲线与0dB线相交的频率。当增益低谷位于-20dB/dec斜率上时，如图3所示，则很有可能越过0dB线，同时相位滞后接近180，这使得使控制环路不稳定。例如，在图3中，右侧箭头指向目标穿越频率，而左侧直线指向的是由于增益低谷而产生的与0dB线交叉的两个不希望的交叉点。
为了消除由于增益低谷造成的不期望的交叉点，一种方法可以是将穿越频率选择成远远高于增益低谷所对应的增益低谷频率。例如，图3中的虚线所示的曲线，可以看出虚线所示的曲线中的穿越频率被选择成远大于增益低谷处的频率，以使得在低谷频率处的增益大于0dB线。这在增益低谷出现的频率比较低并且低谷深度比较浅时是可行的。
然而，随着选择电感较小的电感器和聚合物电容器的趋势，上述这种对增益低谷的补偿方法面临了新的困难。例如，电源滤波器中LC滤波电路的趋势是在同一封装中使用电感量较小的电感器，以提高电流处理能力。此外，聚合物电容器在许多应用中正在取代铝电容器。聚合物电容器的等效串联电阻ESR远低于铝电容器，并且可以处理更高的纹波电流。因此，当使用聚合物电容器时，LC滤波电路通常使用较小的电容。结果产生了出现增益低谷的频率被移动到更高的频率的情况。更糟糕的是，当使用聚合物电容器时，增益中的低谷会变得更深。如果仍然使用上述方法，则穿越频率需要移动到更高的频率。在一些情况下，可能需要移动到超过100KHz。在高频下，通常会有控制回路内部的其他电路贡献的极点。如果穿越频率被选择成靠近这些极点，那么控制回路就会变得不稳定。
为了进一步克服上述补偿方案的缺陷，本公开以下的多个实施例另外提供了一种电源滤波器，其中设计了的一种用于环路补偿的系统。该系统能够产生一个增益峰值，用于补偿上述的增益低谷。该电源滤波器可以包括过压保护电路，以及与过压保护电路连接的LC滤波电路(LC滤波器)。其中，过压保护电路可以包括稳压调整管以及峰值补偿电路。该峰值补偿电路用于在LC滤波电路的谐振频率处生成增益峰值，以补偿在LC滤波电路的谐振频率下在稳压调整管级出现的增益低谷。本公开提供的电源滤波器中的补偿系统可以通过电路的巧妙设计，以成本低、易实现的方式解决了电源滤波器的环路补偿中的困难。
以下将进一步结合各个附图说明本公开的多个实施例。根据一些实施例，系统中的峰值补偿电路可以实现为LCR谐振电路，例如LCR并联谐振电路。该LCR并联谐振电路可以包括并联连接的等效电感电路以及RC组件。图4示例性示出了等效电感电路的原理图。如图4所示，可以将电阻器Rm的两端分别连接运算放大器U的输出端与反相输入端。那么由于米勒效应，从运算放大器的反相输入端看过去的等效电阻是电阻的阻值除以(1+Av)，其中Av是运算放大器的增益。运算放大器的增益在关心的频段随频率增加以-20dB/十倍频程(-20dB/dec)的斜率降低，等效的阻值随频率增加以20dB/十倍频程的斜率增加，由此呈现出电感的特性。等效的电感量可以用以下公式计算出来。
Figure BDA0003267562540000061
Figure BDA0003267562540000062
其中，Reqv是等效电阻；Leqv是等效电感；GBOP_in_rad/s是运算放大器的增益带宽积，单位为弧度/秒；s是拉普拉斯变换中的微分符号；Av是运算放大器的电压增益。
然后，由电阻和运算放大器构成的等效电感电路可以与RC组件(电容器和电阻器组件)组合形成LCR谐振电路。例如，将等效电感电路设计成能与RC组件谐振，形成LCR并联谐振电路。图5A示例性示出了形成的LCR并联谐振电路的原理图。如图5A所示，方框501相当于LCR并联谐振电路，方框502相当于等效电感电路或者一个等效电感器。例如，LCR并联谐振电路501可以包括等效电感电路，一个电阻Rp以及一个电容C。等效电感电路可以包括运算放大器U2以及电阻Rm，其中电阻器Rm的两端分别连接运算放大器U2的输出端与反相输入端。通过调谐LCR谐振电路的等效电阻，可以调谐谐振电路的品质因数Q。并联连接的Rp和C的一个连接点与运算放大器的反向输入端连接，并联连接的Rp和C的另一个连接点可以与AC接地端连接。该AC接地端可以是DC电压，例如基准电压。本领域技术人员可以理解的是，图5A仅仅是出于示例性示出LCR并联谐振电路的原理的目的，并非意图限制其他电子组件的增加或减少。图5A构成的LCR谐振电路可以在谐振频率下产生增益峰值。图5B示出了在图5A的Vout点处测得的增益-频率波特图，从图5B中可以看出，在增益-频率曲线中，在某一频率可以产生一个峰值。该峰值出现的频率位置以及峰值大小可以根据LCR谐振电路的各个组件的值的变化而变化。图中虚线表示的曲线是相位-频率曲线。
以下结合图6进一步说明设计的LCR谐振电路具有期待的增益-频率特性。图6示例性示出了LCR谐振电路的原理图。为了简化说明以便于理解，图6还可以等效变换成图7A和图7B所示的形式。在图7中，G是运算放大器的前向放大增益，即运算放大器本身的增益。H是反馈网络的反馈系数，其例如可以是图6中的电阻Rm，Rp和C构成的分压网络的分压比。图6所示的电路的传递函数可以表示为如下计算式。
Figure BDA0003267562540000081
其中，BWOPA_in_rad/s是运算放大器的带宽，单位是弧度/秒；s是拉普拉斯变换中的微分符号。
为了进一步理解，可以将上述传递函数进一步化成以下形式，即Aclose可以以如下形式表示。
Figure BDA0003267562540000082
其中，
Figure BDA0003267562540000083
Figure BDA0003267562540000084
Figure BDA0003267562540000085
Figure BDA0003267562540000086
其中，gainDC是直流增益；ωz是零点频率；ω0是二阶低通滤波器的截止频率，在本公开中可以相当于LCR谐振电路的谐振频率。Q是二阶低通滤波器的品质因数。
当Rp<<Rm时，
Figure BDA0003267562540000091
Figure BDA0003267562540000092
Figure BDA0003267562540000093
基于上述各参数的计算，可以根据电路的实际要求为电路的各个元件设计取值，以获得期待的电路的增益-频率特性。
例如，可以为上述计算式中的参数选取以下值，以生成图8所示的波特图。其中，ω0＝2π·1.5KHz；ωz＝＝2π·300Hz,BWOPA_in_rad/s＝2π·700KHz；C＝1u；Rp＝530R；Rm＝49.5kR。
从图8可以看出，图6所示的LCR谐振电路可以在谐振频率处生成一个峰值。在该谐振频率之前的曲线部分是相对平坦的，这意味着谐振频率之前的增益是平坦的。而在谐振频率之后的曲线部分则显示了增益随着频率增加以-20dB/十倍频程的斜率降低。增益-频率曲线中出现的尖峰可以被用于补偿在稳压调整管级引起的增益低谷。可以理解的是，可以通过改变参数的取值，来调整峰值出现的位置以及峰值大小。
图9示例性示出了本公开一个或多个实施例的电源滤波电路实现原理图。图9仅仅是为了本领域的技术人员更好的理解和实现本公开的教导而给出的示例性电路实现原理图，而并非是对本发明的技术方案的具体限制。本领域的技术人员可以理解的是，可以根据电路的具体应用条件而增加或减少组件，或者改变组件的参数值。
图9举例示出的电源滤波电路，其可以包括过压保护电路以及与过压保护电路连接的LC滤波电路。在图9的示例中，过压保护电路可以包括稳压调整管M1、峰值补偿电路。本领域的技术人员可以理解的是，过压保护电路还可以包括现有的以各种电路形式实现的控制逻辑或电路。在图9中仅仅以“其他控制电路”表示，不再赘述。本领域的技术人员可以理解，该电源滤波器电路的原理示意图仅仅为了帮助清楚全面地了解本公开的内容，而并非意图限制本发明。
根据一些实施例，峰值补偿电路可以被实现为LCR并联谐振电路。例如，峰值补偿电路可以包括并联连接的等效电感电路以及RC阻容组件，以构成LCR并联谐振电路。该RC阻容组件可以包括，例如，并联连接的第一电阻Rp和第一电容C。等效电感电路可以包括，例如运算放大器U1，以及连接于运算放大器U1的反向输入端和输出端之间的第二电阻Rm。该峰值补偿电路还可以包括例如串联连接的第一分压电阻R4和第二分压电阻R5。具体来说，例如，第一分压电阻R4的第一端连接于稳压调整管，第一分压电阻R4的第二端连接至第二分压电阻R5的第一端，第二分压电阻R5的第二端连接至接地端。第一分压电阻R4的第二端和第二分压电阻R5的第一端还共同连接至运算放大器U1的正向输入端。
例如，第一电容C的第一端连接至第一电阻Rp的第一端，第一电容C的第一端和第一电阻Rp的第一端还共同连接至运算放大器U1的反向输入端。第一电容C的第二端连接至接地端。第一电阻Rp的第二端，例如，可以经由基准电压源连接至接地端。运算放大器U1的输出端可以连接至稳压调整管M1，例如经由其余控制电路与稳压调整管M1相连接。在图9中仅仅示出了稳压调整管是MOSFET晶体管M1的情况以用于说明。该MOSFET晶体管M1也可以替换为三极管。
LC滤波电路包括串联连接的滤波电感L1和滤波电容C1，滤波电感L1的第一端连接至稳压调整管M1，滤波电感L1的第二端连接至滤波电容C1的第一端，滤波电容C1的第二端可以连接至接地端。
为了直观地对比显示图9中各级电路的增益-频率波特图，可以将图9所示的电路分成两级电路来进行增益测量，如图10所示。图10以虚线框1001和1002划出两部分电路以用于不同情况下的增益测量，测量的结果如图11A-11C所示。结合以上描述，电路中采用的参数可以如下：ω0＝2π·1.5KHz；ωz＝＝2π·300Hz；BWOPA_in_rad/s＝2π·700KHz；C＝1u；Rp＝530R；Rm＝49.5kR。
图11A示出了虚线框1001所包括的部分电路的信号增益-频率波特图，其对应的测量情况是：在A点输入信号，在B点测量得到的增益。也就是说，图11A示出了未采用峰值补偿电路时的稳压调整管级的增益曲线。图11A中的曲线显示了由于LC滤波电路中的LC串联谐振而引起的增益低谷，该增益低谷出现在LC的谐振频率处。
图11B示出了虚线框1002所包括的部分电路的信号增益-频率波特图，其对应的测量情况是：在B点输入信号，在C点测量得到的增益。图11B示出了峰值补偿电路能够在对应的谐振频率处产生相应的增益峰值。
图11C示出了将虚线框1001和1002所包括的两级电路串联后的信号增益-频率波特图，其对应的测量情况是：在A点输入信号，在C点测量得到的增益。从图11C可以看出，在LC谐振频率处增益低谷几乎不见了。
本公开的一个或多个实施例采用在OVP电路中设置峰值补偿电路的方法，通过峰值补偿电路在LC滤波谐振频率下产生增益峰值，从而相应的补偿了由LC滤波器在其谐振频率下产生的增益低谷。这种峰值法补偿的好处是低谷频率处的开环增益不需要提高太多，因此可以将穿越频率保持在控制回路中其他电路引入的极点频率以下，从而使的补偿更容易实现。
条款1.一种电源滤波器，包括：
过压保护电路，以及
与所述过压保护电路连接的LC滤波电路；
其中，所述过压保护电路包括稳压调整管以及峰值补偿电路，所述峰值补偿电路被配置成在所述LC滤波电路的谐振频率上生成增益峰值，以补偿在所述LC滤波电路的谐振频率下出现的所述稳压调整管级的增益低谷。
条款2.根据条款1所述的电源滤波器，其中，所述峰值补偿电路被实现为LCR并联谐振电路。
条款3.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，所述峰值补偿电路包括并联连接的等效电感电路以及RC组件。
条款4.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述RC组件包括并联连接的第一电阻和第一电容，并且其中，所述等效电感电路包括运算放大器，以及连接于运算放大器的反向输入端和输出端之间的第二电阻。
条款5.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述峰值补偿电路还包括串联连接的第一分压电阻和第二分压电阻。
条款6.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述LC滤波电路包括串联连接的滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的第一端连接至所述稳压调整管，所述滤波电感的第二端连接至所述滤波电容的第一端，所述滤波电容的第二端连接至接地端。
条款7.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述第一分压电阻的第一端连接于所述稳压调整管，且与所述滤波电感的第一端连接，所述第一分压电阻的第二端连接至所述第二分压电阻的第一端，所述第二分压电阻的第二端连接至接地端，所述第一分压电阻的第二端和所述第二分压电阻的第一端连接至所述运算放大器的正向输入端。
条款8.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述第一电容的第一端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第一端还连接至所述运算放大器的反向输入端。
条款9.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述运算放大器的输出端连接至所述稳压调整管。
条款10.根据前述任一项条款所述的电源滤波器，其中，所述稳压调整管是MOSFET调整管或三极管调整管。
已经出于说明和描述的目的而呈现了对实施方案的描述。可鉴于以上描述来执行对实施方案的合适的修改和改变，或者可通过实践方法来获取所述合适的修改和改变。还可按照除了在本申请中描述的次序之外的各种次序、并行地和/或同时地执行所描述的方法和相关联的动作。所描述的系统在本质上是示例性的，并且可包括其他的元件和/或省略元件。本公开的主题包括所公开的各种系统和配置与其他特征、功能和/或性质的所有新颖和非明显的组合。
如本申请中所使用的，以单数形式列举并且前面带有词语“一/一个”的元件或步骤应当被理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非指出这种排除情况。此外，对本公开的“一个实施方案”或“一个示例”的参考并非意图解释为排除也并入所列举特征的另外实施方案的存在。上文已参考特定实施方案描述了本发明。然而，本领域的一般技术人员将理解，可在不脱离如所附权利要求书中陈述的本发明的较广精神和范围的情况下对其作出各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种电源滤波器，包括：
过压保护电路，以及
与所述过压保护电路连接的LC滤波电路；
其中，所述过压保护电路包括稳压调整管以及峰值补偿电路，所述峰值补偿电路被配置成在所述LC滤波电路的谐振频率上生成增益峰值，以补偿在所述LC滤波电路的谐振频率下出现的所述稳压调整管级的增益低谷。
2.根据权利要求1所述的电源滤波器，其中，所述峰值补偿电路被实现为LCR并联谐振电路。
3.根据权利要求1所述的电源滤波器，其中，所述峰值补偿电路包括并联连接的等效电感电路以及RC阻容组件。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电源滤波器，其中，所述RC阻容组件包括并联连接的第一电阻和第一电容，并且其中，所述等效电感电路包括运算放大器，以及连接于运算放大器的反向输入端和输出端之间的第二电阻。
5.根据权利要求4所述的电源滤波器，其中，所述峰值补偿电路还包括串联连接的第一分压电阻和第二分压电阻。
6.根据权利要求5所述的电源滤波器，其中，所述LC滤波电路包括串联连接的滤波电感和滤波电容，所述滤波电感的第一端连接至所述稳压调整管，所述滤波电感的第二端连接至所述滤波电容的第一端，所述滤波电容的第二端连接至接地端。
7.根据权利要求6所述的电源滤波器，其中，所述第一分压电阻的第一端连接于所述稳压调整管，且与所述滤波电感的第一端连接，所述第一分压电阻的第二端连接至所述第二分压电阻的第一端，所述第二分压电阻的第二端连接至接地端，所述第一分压电阻的第二端和所述第二分压电阻的第一端连接至所述运算放大器的正向输入端。
8.根据权利要求7所述的电源滤波器，其中，所述第一电容的第一端连接至所述第一电阻的第一端，所述第一电容的第一端和所述第一电阻的第一端还连接至所述运算放大器的反向输入端。
9.根据权利要求1所述的电源滤波器，其中，所述运算放大器的输出端连接至所述稳压调整管。
10.根据权利要求1所述的电源滤波器，其中，所述稳压调整管是MOSFET调整管或三极管调整管。
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