电源供应器 (二) 滤波 (Filtering) 的基本概念【转帖】

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电源供应器 (二) 滤波 (Filtering) 的基本概念【转帖】

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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电源供应器 (二) 滤波 (Filtering) 的基本概念

孙恩宏/Steve Sun

在开始讨论滤波之前有一点要先声明: Filter 是一门较深奥的理论, 要彻底研究 filters 少不了要用到 “转移函数” (transfer function) 之类的工具, 只好暂时割爱了. 等以后有机会时再来讨论克希赫夫定律 (Kirchhoff’s theorem), 网络与节点分析 (mesh and nodal analysis), 拉普拉斯变换 (Laplace transform). 对这些题材感兴趣的朋友请您参考: Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers 第一章. (或是电路学的书籍, 如: Chua, Desoer, Kuh: Linear and Non-Linear Circuits, 第八章.)

1. 基本方法.

在上次的讨论中, 我们知道一个整流子的输出还不是稳定的直流. 现在我们要来处理整流子的输出. 处理的越小心, 越精密, 会越接近完美的直流源。

最简单的处理办法是利用电容储存能量及缓慢放电的特性. 将全波整流子的输出并联一个电容:




让我们来看这个电容在这里产生的功\能: 整流子的输出是一个 100/120 Hz, 上下振荡的讯号. 当电压升高时, 电容开始充电, 电压降低时电容开始缓慢放电, 在完全放电之前, 又再度开始下一波充电与放电的程序. 所以并联一个电容的效果是把一个在 0 伏特与 V 伏特间剧烈振动的讯号变成一个振幅较小的涟波 (ripple). 这个电容越大, 涟波的振幅 dV越小, 也就是说越接近直流.



理论上, 如果这个电容的电容值是无限大, 那么这个滤波电容的输出就是一个完美的直流. 但是, 世界上没有完美的事物, 也因为物物皆有缺陷, 所以才会产生各种不同的方法, 想要补偿不足, 科技才会不停的进步.

对于这个涟波, 为了将来的需要, 我们把它分解成:




左侧这个直流称为涟波的 "载波", 右边的只是一个 AC 小讯号. 如此一来, 就可以把 AC 与 DC 分别处理. 也就不需要较多的数学了。

实际设计上面临的首要的问题是: 要多大的电容? 理论上是越大越好, 电容越大储存的能量越多. 一般而言, 为了能够有足够多的能量能储存在这个电容里, 这个电容的选择应该遵守一个原则:



f= 涟波频率 (120 Hz 或是 100 Hz). 或是:




另一个重要的问题是: 如何计算涟波起伏的电位差, dV? 涟波起伏的电位差的公式:




最后, 二极管全波整流电容滤波后, 输出电压是 1.414 x V. 但是, 这只是理想的数字. 实际应用时, 由于变压器的 "压降" (regulation), 及电路的负载等因素, 请您使用第四节的公式计算实际的输出电压。

使用一个超大滤波电容的方式并不是非常理想的办法. 除了 "土法炼钢" 以外, 您应该用并联多个较小的电容的办法, 逐渐减少涟波. 使用多个电容的效果绝对要比一个 "大水缸" 好。

除了这个最基本的方法以外, 还有其它的方法。

2.R-C 滤波

现在您应该知道为什么整流子的输出要经过滤波电容了吧。

另一个方法是使用低通滤波器 (low-pass filter). 整流子的输出是一个 100/120 Hz 的讯号 (外带 200/240 Hz, 300/360 Hz, … 等高阶谐波), 通过一个低通滤波器可以有效的减低这些 100/120 Hz, 200/240 Hz, … 的讯号. 第一种架设低通滤波器的方法是用一个电阻与一个电容:




如果省略这个电阻 R, 就是上一节所讨论的内容. 但是, 还是有很多人在这里放一个电阻. 电流流经这个电阻时, 能量的消耗是:




不是大家都忘了这点, 而是这个电阻可以保护下游的电路, 避免整流子瞬间产生大量电流流入下游电路.



图说：滤波电容会直接的影响音质与音色表现，影响的幅度远比在电路板上换个昂贵的电阻、电容还要大。利用并联小电容的方式，可以改善特性，当然，DZ也在这方面有不少的努力，即将推出好用高质量的滤波电容给读者选用。图为ELNA的Cerafine系列，针对音响上的需求而推出，日本高级机种比较常见，但以欧美的Hi-End音响来说，还是多半以美国品牌的电解电容为主。


R-C 滤波的缺点是会损失电流. 对于需要大电流的负载, R-C 滤波会损失大量的电能. R-C 滤波只有在电流需求不高的电路中使用较为妥当, 这时, R-C 滤波器的电阻可以发挥保护下游电路的功\能. 当然, C-R-C 的设计比单纯的 R-C 好. 利用第一个电容产生一个涟波, 再加上 R-C 滤波来滤除涟波, 架设成效果更好的 C-R-C 滤波器.

3.L-C 滤波

另一种制造低通滤波器的方法是使用 L-C 电路:




在 1960 年代设计的电路中, 前辈们经常使用一个 "扼流圈" (choke) 之后另用一个电容, 如:




电感利用电流把能量储存在磁场里. 当负载需要能量时, 这时电容两端电压会下降, 也会有电流流过 L. 因为电流产生变化, 磁场储存的能量转变成电能. 这个电感产生的磁场会对周围的小讯号产生一定的影响. 而且, 现在的扼流圈都比较昂贵. 但是当负载需要大量的能量时, L-C 滤波会是很有效的工具. 只要在 PC 板 layout 时小心设计, 就可以把磁场对周围的影响减至最低. 当然您可以结合第一节的方法与 L-C 滤波架设成 C-L-C 滤波.

从这里看来 , C-L-C 滤波似乎是万灵丹. 可以达成 C-R-C 的效果, 而无 C-R-C 的缺点 (R 会消耗能量). 但是事实并非如此. 等下一次我们再来仔细讨论. C-R-C 或是 C-L-C 滤波, 因为整流子之后的第一个被动组件是一个电容, 所以这类的滤波器称为 capacitor-input filters.

另一个 L-C 低通滤波器的应用是喇叭的分音器。

4.R-C, L-C滤波公式

设计时, 通常需要一些公式辅助, 计算输出电压. 这节的目的是把一些常用的公式整理一下, 以备不时之需。

Erms是滤波器输入电压, 也是变压器次级标示电压, 讲得更白话, 就是用电表量到的电压. Ripple factor 是涟波高低起伏与输出电压的比例. AC 频率定为 60 Hz. RL 是负载阻抗。





从这些公式, 您有没有看出什么规律? 提示: 输入端第一个滤波组件是电容时, 输出电压是 1.4 x Vin 再减去负载电流产生的压降. 输入端第一个滤波组件是电感时, 输出电压是 0.9 x Vin, 与负载电流无关! 输入端第一个滤波组件是电容时, 滤波器称为是 capacitor input. 输入端第一个滤波组件是电感时, 滤波器称为是 choke input. 下一次我们要更深入的讨论 capacitor input filter 与 choke input filter 的差别。