开关电源输入回路的设计方案

开关电源输入回路包括低通滤波和桥式整流滤波两大部分，虽然都是“滤波”，但它们的作用、功能不同，采用的方法也不一样。

1.低通滤波回路的设计

低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，电网电力就是经低通滤波进入的。它有两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。图2-5所示是开关电源最常用的两种形式的低通滤波回路。图2-5a所示是单级低通滤波回路，图2-5b所示是双级串联式低通滤波回路。两种滤波回路对抑制电磁干扰（EMI）有不同的效果。因为不同波段的电磁波所产生的感抗是不一样的，因此设计电路所选用的电容和电感也就不同。对衰减电磁干扰的能力按照设计要求而定。从理论上说，电路的电抗是阻抗、感抗和容抗的矢量和，即。要想使电磁干扰不大于8dB/μV，必须选用合适的电感、电容，以最大限度地提高电路抗干扰（包括射频干扰）的能力。

图2-5 低通滤波回路

在图2-5b中，C₁、C₄为抗串模干扰元件，用于抑制正态噪声，所用的电容是聚酯电容，也叫X电容。电感L₁、L₂和电容C₂、C₃是抗共模干扰元件，用于抑制共态噪声，所用的电容是薄膜电容或陶瓷电容，也叫Y电容。

2.整流滤波回路的设计

开关电源一般采用电容输入型整流滤波回路。整流方式一般采用全波桥式整流。这里将介绍电容输入型整流滤波回路的设计方法。

输入电容C₁的容量是由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定的，而且流经电容的纹波电流在电容允许值范围内。这是因为C₁的纹波电流对电容寿命有很大影响，我们应特别注意。滤波电容大多采用电解铝作为电解质。

例题：有一开关电源的输入电压为85（V_min）～265V（V_max），输出功率（P_o）为60W。（1）求输入电容的纹波电压（V_cr）和电容的使用寿命。（2）如何选用整流二极管。

设开头电源工作频率为200kHz，效率为85%，占空比D_max=0.5。

（1）计算直流输入回路的平均电流I_dc

由图2-6求得V₁/E₁=1.18。

图2-6 交流输入电压E₁与直流输入电压V₁的关系曲线

输入最低直流电压 V₁（min）=85×1.414V=120.2V

输入电功率 P_i=P_o/η=60/0.85W≈70.6W

输入有效电流

输入回路平均电流 I_dc=I_dsD_max=0.5×0.5A=0.25A

先设定C₁值，也可根据输出功率与滤波电容的比例系数（50～100W选2.0μF/W）进行计算，C₁=KP_i=2.5×70.6μF=176.5μF，选180μF。根据图2-6求出交流输入电压E₁与直流输入电压V₁的关系。电容的负载电阻R_LC为

（2）计算输入电容的纹波电压

设输入低通滤波电阻R_S为12Ω，则

由图2-7和图2-8分别求得交流输入电流有效值I_ac和交流输入电流峰值I_acp。

图2-7 交流输入电流有效值与输出平均电流之间的关系

图2-8 交流输入电流峰值与输出平均电流之间的关系

因为它是全波整流，故比例系数K取2，R_S/（KR_LC）=3.0/（2×480.8）≈0.0125。由图2-7查出I_ac/I_dc=1.6，则I_ac=1.6I_dc=1.6×0.25A≈0.4A。

由图2-8查出I_acp/I_dc=4.25，则交流输入电流峰值I_acp=4.25I_dc=4.25×0.25A≈1.06A。

I_dct=C₁V_cr

则 纹波电压

式中，t为整流器非导通时间，50Hz时全波整流约为7ms。设定这些参数的目的是求得流入C₁的纹波电流I_CL（rms）。(www.xing528.com)

对于市电交流频率与电路振荡频率，应分别计算电容C₁的纹波电流。市电交流频率的纹波电流I_r1为

因输入电流平均值供给负载侧，峰值电流层叠包络电流不算在内，则负载电流为

式中，I_aca为交流输入电流半周期的平均值。

若设整流器的导电时间为3ms，对电容进行充电，则

式中，T与t_on分别是交流电流周期与导通时间。若对交流电流以50Hz进行全波整波，则T=20ms。

平均电流

负载电流

再求振荡频率的纹波电流I_rh。流经开关电源的电流有效值I_rms为

式中，T与t_on分别为振荡频率的周期（20ms）和导通时间（10ms）。

振荡频率的平均电流也直接供给负载，因此振荡纹波电流I_rh为

这样，电容的允许纹波电流（包括对频率的补偿系数）可按下式进行计算，其结果是电路电流不得超过I_CL（rms），否则电容工作在不安全状态下（不考虑环境温度）。

式中，K₁为100Hz时的允许纹波电流系数，K₂是200kHz时的允许纹波电流系数。如果采用耐压为450V、容量为180μF的电容，在频率为100Hz时K₁为1，频率为200kHz时K₂为2.5。将其代入上式，则电容允许纹波电流I_CL（rms）为

（3）计算电容寿命

若变换器确定的最高温度为60℃，机内温升为15℃，电容器工作环境温度为75℃。环境温度为75℃时，补偿系数K为1.32，50℃时允许纹波电流为0.33A，则

I_r75=1.32I_r50=1.32×0.33A=0.436A

当环境温度为50℃时，内部温升为

ΔT₆₅=ΔT₇₅K²=4.25×1.32²℃≈7.4℃

当环境温度为75℃时，电流为0.26A，内部温升为

电容器的寿命L_V为

L_V=L₀×2^{（75-65）/10}×4^{（5-4.6）/10}=2500×2¹×4^0.04H≈5285H

式中，L₀为电容的保证寿命，可由生产商的产品目录查得。电容所承受的电压是最大输入电压的倍，实例中为。所以电容C₁选用容量为180μF、耐压为400V、温度为105℃的电解电容，在环境温度为75℃时，承受最高电流为2.64A。

（4）选用整流二极管

开关电源的整流桥是由4只二极管组成的，每两只二极管串联起来完成交流电压半周整流。因此，每只二极管中流过的电流I_D只有整个电流平均值的一半；每个二极管所承受的电压是最大反向电压的一半，即。从上面计算得知：输入回路的峰值电流Iacp=4.25A，输入回路的最大输入峰值直流电压V。选用二极管1N5407，它的最高反向工作电压V_RM为800V，额定整流电流I_F为3.0A，完全能满足上例开关电源对整流二极管的要求。