衛星電源DC/DC模塊輸入濾波器的設計

作為衛星的“心臟”，電源的可靠性要求很高。衛星電源系統中的DC/DC模塊主要負責將輸出的42V直流電壓轉換成其他等級的直流電壓，以滿足不同設備的用電需求。DC/DC模塊輸入濾波器有兩個主要功能：一是阻止DC/DC模塊產生的電磁干擾沿電力線傳導以影響其他設備；二是阻止電力線上的高頻電壓傳到DC/DC模塊的輸出端。LC無源濾波器具有上述兩種功能。本設計目標是在濾波器的體積和成本之間達到平衡。

無阻尼LC濾波器
圖1所示為無阻尼LC無源濾波器。理想情況下，一個二階濾波器在諧振頻率f0后每倍頻衰減12dB。其在f0之前沒有增益，在諧振頻率f0處增益達到峰值。

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圖1 無阻尼LC濾波器

二階濾波器在設計上的一個關鍵因素是頻率f0處的衰減特性。諧振頻率處的增益非常大，同時也放大了該頻率處的噪聲。通過分析濾波器的傳遞函數可以更好地理解問題的本質。其傳遞函數為
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傳遞函數也可用弧度來表示：
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其中，，以弧度表示的諧振頻率；是阻尼因子。

該傳遞函數有兩個負的極點和，阻尼因子ζ表示該角頻率處的增益。當ζ1時，兩極點為復數，虛部使增益在諧振頻率處達到峰值。

圖2 不同阻尼因子時LC濾波器的傳遞函數

阻尼因子越小，諧振頻率處增益越大，達到理想零阻尼時增益為無窮大。然而，元器件的內阻限制了增益達到最大值。在此，阻尼因子就像一個虛擬元件，妨礙增益達到峰值。

在輸入濾波器設計中，阻尼因子和系統性能關系很大，阻尼因子會影響反饋控制回路的傳遞函數，也會在開關電源輸出端引起振蕩。

Middlebrook附加元素法則指出：如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠低于變換器的輸入阻抗曲線，輸入濾波器就不能明顯改變變換器的閉環增益。換句話說，保持濾波器的輸出阻抗峰值低于變換器的輸入阻抗非常重要，因為這樣能避免產生振蕩（見圖3）。

圖3 濾波器輸出阻抗和開關電源輸入阻抗

從設計觀點上，根據阻尼因子最小值的1/√2倍（此時，諧振頻率處增益衰減3dB），獲得最佳的濾波器性能體積比，使控制系統達到良好的穩定性。

并聯阻尼濾波器
在大多數情況下，圖1中的無阻尼二階濾波器不易滿足衰減要求，于是考慮選擇阻尼濾波器。

圖4所示的阻尼濾波器由電阻Rd和電容Cd先串聯再與濾波器電容C并聯構成。電阻Rd的作用是降低濾波器在諧振頻率處的輸出阻抗峰值；電容Cd抑制輸入電壓的直流成分，防止Rd消耗功率。

圖4 并聯阻尼濾波器