专利名称：一种滤波器阻抗补偿装置及一种滤波器的制作方法
技术领域：
本发明涉及开关电源技术领域，特别涉及一种滤波器阻抗补偿装置及一种滤波器。
背景技术：
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。在开关电源技术领域中，当线性电源的成本在某一输出功率点上高于开关电源时，这一点被称为成本反转点；现阶段随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。 目前，开关电源已经广泛应用在各种需要进行电能变换的场合。稳定地输出电压或电流是开关电源的一个基本功能，也是开关电源的关键性能指标。为了获得良好的输出特性，绝大多数开关电源采用了负反馈技术。采用负反馈技术后，开关电源就成为一个闭环的负反馈控制系统。一般来说开关电源的反馈控制模式包括电压控制模式和电流控制模式。所述闭环的负反馈控制系统通常可以采用经典控制理论进行建模和分析，也就是把开关电源控制环路中的每个环节表达为一个传递函数，而所有环节的传递函数的乘积即是系统的开环传递函数。通过对系统开环传递函数进行分析，可以获知开关电源的输出特性，从而获得如何改善开关电源输出特性的启示。在上述开关电源闭环的负反馈控制系统中，滤波器对于开关电源的输出特性有着至关重要的影响。从利用经典控制理论建立的数学模型的角度说，输出滤波器环节的传递函数是系统开环传递函数的一部分，滤波器中阻抗参数的变化可以直接体现为系统开环传递函数的参数变化。参照图I所示为传统滤波器的电路图(电压模式控制下)。输入信号通过滤波电感L的第一端进入滤波器电路，滤波电感的第二端连接滤波电容C与滤波负载LOAD并联后的第一端；滤波电容C与滤波负载L并联后的第二端接地或连接固定电压；输出信号通过滤波电容C与滤波负载LOAD并联后的第一端输出。但是对于现有的滤波器电路，滤波电感、滤波电容和滤波负载等器件的的阻抗是随着外部环境的变化而变化的；例如温度或负载情况等外部条件的变化都会影响到滤波器电路的阻抗。这也就使得开关电源的输出特性容易受到滤波器阻抗变化的影响而产生很大变化。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种滤波器阻抗补偿装置及一种滤波器，所述滤波器阻抗补偿装置能够补偿滤波器件参数变化为开关电源带来的影响，所述滤波器的传递函数在外界条件发生变化的时候保持不变。为实现上述目的，本发明具体技术方案如下
一种滤波器阻抗补偿装置，所述装置包括补偿电容、补偿负载和运算放大设备，具体为补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接运算放大设备的反相输入端，同时所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端，所述运算放大设备的输出端输出输出信号；所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号；或者，所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号，正相输入端接地或连接固定电压；所述滤波器阻抗补偿装置的输入信号为滤波电路的滤波输出信号；所述滤波电路中滤波电容的阻抗为Z。，滤波负载的阻抗为Zujad ;所述补偿电路中补偿电容的阻抗为Z。’，补偿负载的阻抗为Z_’;则Z。与Z。’的比值等于Zumd与Zum’的比值。当滤波电路处于电压模式控制之下，则所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端接地或连接固定电压；所述装置还包括补偿电感，所述补偿电容与补偿负载并联后的第一 端连接所述运算放大设备的输出端具体为所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端通过所述补偿电感与所述运算放大设备的输出端相连；所述滤波电路中的滤波电感的阻抗为& ;所述补偿电路中补偿电感的阻抗为ZJ ；
则Zc与Zc，的比值、Zload与ZL_’和Zl与Zl，的比值，三者相等。当所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号时，正相输入端接地或连接固定电压，则所述运算放大设备包括运算放大器、输入组件和第一反馈组件；其中，运算放大器通过正相输入端接地或连接固定电压；反相输入端通过输入组件连接输入信号，并通过第一反馈组件连接所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端。当滤波电路处于电流模式控制之下，则所述运算放大设备包括运算放大器和第二反馈组件，所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端具体为所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端通过第二反馈组件连接运算放大器的输出端。当所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号，则所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端接地或连接固定电压。当所述运算放大设备的正相输入端接地或连接固定电压，则所述输入信号连接到所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端。一种滤波器，所述滤波器包括串联的滤波电路与滤波器阻抗补偿装置；所述滤波电路包括滤波电感、滤波电容以及滤波负载，其中滤波电感的阻抗为Zy滤波电容的阻抗为Z。，滤波负载的阻抗为Zlom ;所述滤波电路输出滤波输出信号；所述滤波器阻抗补偿装置以所述滤波输出信号作为自身的输入信号，所述滤波器阻抗补偿装置包括补偿电容、补偿负载和运算放大设备，其中补偿电容的阻抗为Z。’，补偿负载的阻抗为Zum/，所述滤波器阻抗补偿装置结构为补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接运算放大设备的反相输入端，同时所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端，所述运算放大设备的输出端输出输出信号；所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号；或者，所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号，正相输入端接地或连接固定电压；所述滤波电路采用电压控制模式或采用电流控制模式；Zc与Zc’的比值等于Zlqad与Zum’的比值。当所述滤波电路采用电压控制模式，则所述滤波器阻抗补偿装置还包括补偿电感，补偿电感的阻抗为ZJ，具体为所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接补偿电感的第一端，补偿电感的第二端连接所述运算放大设备的输出端；Zc与Zc’的比值、Zum与Zum/和Zl与的比值，三者相等。通过以上技术方案可知，本发明存在的有益效果是所述滤波器阻抗补偿装置能 够抵消由于滤波器件参数变化带来的影响；由滤波电路与滤波器阻抗补偿装置串联得到的滤波器，通过调整滤波器件与补偿器件参数的比例关系，实现了传递函数在外界条件发生变化的时候保持不变。
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I为现有技术中电压模式控制下的滤波电路的电路图；图2为本发明所述滤波器阻抗补偿装置基本电路示意图；图3为本发明电压模式控制下的一实施例所述滤波器阻抗补偿装置电路图；图4为本发明电压模式控制下的另一实施例所述滤波器阻抗补偿装置电路图；图5为现有技术中电流模式控制下的滤波电路的电路图；图6为本发明电流模式控制下的一实施例所述滤波器阻抗补偿装置电路图；图7为本发明电流模式控制下的另一实施例所述滤波器阻抗补偿装置电路图。
具体实施例方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。参照图2所示，为本发明所述滤波器阻抗补偿装置的电路示意图，具体为补偿电容C’与补偿负载LOAD’并联后的第一端连接运算放大设备OA1的反相输入端，同时所述补偿电容C’与补偿负载LOAD’并联后的第一端连接所述运算放大设备OA1的输出端，所述运算放大设备OA1的输出端输出输出信号；在所述装置中，所述运算放大设备OA1可以进行同相放大，即运算放大设备OA1的同相输入端连接输入信号；或者采用反相放大，即所述运算放大设备OA1的反相输入端连接输入信号，同相输入端接地或连接固定电压。图2中特别地以采用同相放大为例。本发明实施例中，将图I所示滤波电路与图2所示补偿装置电路串联，也就是将滤波电路的滤波输出信号作为补偿装置的输入信号，则得到一种滤波器。当该滤波器中的滤波器件(包括滤波电容C、滤波电感L和滤波负载LOAD)受到外界环境的影响而参数改变并引起输出特性变化时，则可以通过调整所述滤波器阻抗补偿装置中补偿器件(包括补偿电容C’和补偿负载LOAD’)的参数抵消输出特性的变化。图2所示仅为所述阻抗补偿装置的一个基本电路示意图。针对不同的反馈控制模式，均可以在图2所示装置的基础之上对电路进行相应的改造，得到一个对应的优选方案。并且本发明中能够通过对应地选取补偿器件的规格参数，实现完全补偿滤波器输出特性变化的影响。本发明中选取补偿器件参数并非是随意选取，而是根据从理论上得出的规律。其具体原理在以下具体实施例中进行公开。参照图3所示，为本发明一个实施例中所述滤波器阻抗补偿装置的电路图。本实施例中所述运算放大设备即为运算放大器0A，并且采用同相放大，即输入信号V/通过同相输入端接入。本实施例中的反馈控制方式采用电压控制模式，所以补偿电容C’与补偿负载 LOAD’并联后的第二端接地或连接固定电压，本实施例中为接地；滤波器阻抗补偿装置中进一步包括了补偿电感L’，补偿电容C’与补偿负载LOAD’并联后的第一端连接补偿电感L’的第一端，补偿电感L’的第二端连接所述运算放大器OA的输出端；滤波器阻抗补偿装置的其余部分连接方法与图2所示基本电路示意图相同，这不再赘述。在本实施例中，可以将图I所示滤波器电路的滤波输出信号V。作为图3所示滤波器阻抗补偿装置的输入信号V得到本实施例中所述滤波器。本实施例中，在滤波器中，当滤波电感L的阻抗为滤波电容C的阻抗为Z。，滤波负载LOAD的阻抗为Z_ ;则根据经典控制理论可以将滤波电路的传递函数表示为Ga(S) = ^I= _YfZL^f};其中自变量s代表拉普拉斯变换算子，是
Pz(S) Zi (5) + Zc (s)\\ZLOAD (S)
经典控制理论的公知知识；而在滤波器阻抗补偿装置中，当补偿电容C’的阻抗为Z。’，补偿负载LOAD’的阻抗为ZMAD’，补偿电感L’的阻抗为ZJ，则滤波器阻抗补偿装置的传递函数可表示为
Γ00511 G ijl- V°'^ - Zl'(s) + Zc'(s)\\zload'(s).
L0051」 ^iool5)_ jr.u、— rj u、||7 u、 ，
(S)Zc (>y)|pxojD (S)本实施例中通过选取特定参数的补偿组件(在本实施例中包括补偿电容C’、补偿负载LOAD，和补偿电感L，)，使得Zc与Zc，的比值、Zload与Zum’和Zl与Zl，的比值，三者相等；也就是预先设定一个系数η,使Z1/ =IiZ1^Zc/ =nZc>Zload 二吸議。通过以上设置可以得到下述数学表达式
「 P (^ ■ Zl(S) +n-Zc(s)\\11'Zwad(s)Gwo (S)=- 丨丨 "~—-
n-Zc(S)In-Zlojd(S)
一，zAs') +Zc(s)\\Z ioad(s) I=-π---=-
ZcWlU) Ga ω这也就意味着，当滤波电路与滤波器阻抗补偿装置满足ZJ =nZL, Z。’ =nZc、Zload, =nZL0AD时，滤波器阻抗补偿装置和滤波电路的传递函数互为倒数。由于经典控制理论中认为开关电源所有环节传递函数的乘积代表开关电源的传递函数，则也就可以认为所述滤波电路与所述滤波器阻抗补偿装置电路传递函数的乘积即代表滤波电路与所述滤波器阻抗补偿装置电路构成的整个滤波器的传递函数，本实施例中所述滤波器的传递函数恒等于常数I。这也就说明本实施例中所述滤波器的传递函数不会受到滤波组件参数的影响，也不会受到补偿组件参数的影响，无论环境变化如何影响滤波组件与补偿组件的参数，只要系数η保持不变，滤波器的传递函数都不变化，也就不会对开关电源的传递函数产生影响。本实施例为应用在反馈控制方式采用电压模式控制，并且滤波器阻抗补偿装置采用同相放大的一个具体实施例。通过滤波电路与滤波器阻抗补偿装置的串联，使得滤波器的传递函数为常数1，从而抵消了滤波器件参数变化为开关电源整体带来的影响。参照图4所示为本发明另一个实施例中公开的滤波器阻抗补偿装置的电路图。本实施例中，所述运算放大设备采用反相放大方式进行连接，包括了运算放大器0Α，输入组件IN和第一反馈组件FB1 ;输入信号V/经过输入组件连接运算放大器OA的反相输入端，运算放大器OA的反相输入端通过第一反馈组件FB1连接所述补偿电容C’与补偿负载LOAD’并联后的第一端；本实施例中滤波电路采用电压控制模式，所述滤波器阻抗补偿装置的其余部分连接方法与图3所示实施例相同，在此处不作赘述。 将图I所示滤波器电路的滤波输出信号V。作为图4所示滤波器阻抗补偿装置的输入信号V/得到本实施例中所述滤波器。本实施例中，所述滤波电感L的阻抗为滤波电容C的阻抗为Z。，滤波负载LOAD的阻抗为Zumd ;则根据经典控制理论可以将滤波电路的传递函数表示为
Γααμ I、〔<■)(‘.V)7.( (,M (V)Ga ⑷=~— =-y~ -
Vi{s) Zl (s) + Zc {s)\Zload (s)补偿电容C’的阻抗为Z。’，补偿负载LOAD’的阻抗为Z_’，补偿电感L’的阻抗为
V，输入组件IN的阻抗为ZIN，第一反馈组件FB1的阻抗为Zfbi，本实施例中第一反馈组件FB1的阻抗Zfbi远大于ZJ Il |ZC’ Il Zum/，所以忽略Zfbi对于补偿电容C’与补偿负载LOAD’并联后的第一端的电位的影响，则本实施例中滤波器阻抗补偿装置的传递函数可表示为+
VHs) Zin Zc'(s)\\Zload'(S)本实施例中同样通过选取特定参数的补偿组件，使得Z。与Z。’的比值、Zumd与Z_’和\与V的比值，三者相等；也就是预先设定一个系数n，使Z^nZpZ^nZpZ^’=!^·。通过以上设置可以得到下述数学表达式
^IN^ ■ Zc (S)I" ■ Zlqad (S)
rnnr「1⑷ + (《啊··0 ⑷I
L0065」 二--- -=---；~
^in Zc(S)IZkmd(S) Zin Ga (s)这也就意味着，当滤波电路与滤波器阻抗补偿装置满足ZJ =nZL, Z。’ =nZc、Z_’=nZ_时，滤波器阻抗补偿装置和滤波电路的传递函数的乘积为ZFB1/ZIN。由于经典控制理论中认为开关电源所有环节传递函数的乘积代表开关电源的传递函数，则也就可以认为所述滤波电路与所述滤波器阻抗补偿装置电路传递函数的乘积即代表滤波电路与所述滤波器阻抗补偿装置电路构成的整个滤波器的传递函数，本实施例中所述滤波器的传递函数恒等于一个计算因子zFB1/zIN。这也就说明本实施例中所述滤波器的传递函数不会受到滤波组件参数的影响，也不会受到补偿组件参数的影响，无论环境变化如何影响滤波组件与补偿组件的参数，只要系数η保持不变，滤波器的传递函数都不变化，也就不会对整个开关电源的传递函数产生影响。并且本实施例所述滤波器在实际应用的过程当中，可以根据需要调节Zfbi与Zin的数值，实现对于所述滤波器其他功能的控制。本实施例为应用在电压模式控制之下，并采用反相放大的一个具体实施例。通过滤波电路与滤波器阻抗补偿装置的串联，使得滤波器的传递函数为计算因子zFB1/zIN，从而抵消了滤波器件参数变化为开关电源整体带来的影响。并且能够通过调节Zfbi与Zin的数值，实现对于所述滤波器其他功能的控制。图5示出了采用电流控制模式的传统滤波电路的电路图。在电流控制模式之下，滤波电路的输入信号是流过滤波电感L的电流Ii，滤波电感L的阻抗对电压反馈环路不造成影响；相对应的，在电流模式控制之下的滤波器阻抗补偿装置中，不再设置补偿电感L’。其中滤波电容C的阻抗为Z。，滤波负载LOAD的阻抗为Zujad ;上述滤波电路的传递函数可以表示为
权利要求
1.一种滤波器阻抗补偿装置，其特征在于，所述装置包括补偿电容、补偿负载和运算放大设备，具体为 补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接运算放大设备的反相输入端，同时所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端，所述运算放大设备的输出端输出输出信号；所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号；或者，所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号，正相输入端接地或连接固定电压； 所述滤波器阻抗补偿装置的输入信号为滤波电路的滤波输出信号； 所述滤波电路中滤波电容的阻抗为Z。，滤波负载的阻抗为z_ ;所述补偿电路中补偿电容的阻抗为Z。’，补偿负载的阻抗为Z_’ ；则4与Z。’的比值等于2_与2_’的比值。
2.根据权利要求I所述装置，其特征在于，当滤波电路处于电压模式控制之下，则所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端接地或连接固定电压；所述装置还包括补偿电感，所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端具体为 所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端通过所述补偿电感与所述运算放大设备的输出端相连； 所述滤波电路中的滤波电感的阻抗为\;所述补偿电路中补偿电感的阻抗为V ;则z。与Zc，的比值、Zload与Zload,和Zl与Zl，的比值，三者相等。
3.根据权利要求2所述装置，其特征在于，当所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号时，正相输入端接地或连接固定电压，则所述运算放大设备包括运算放大器、输入组件和第一反馈组件； 其中，运算放大器通过正相输入端接地或连接固定电压；反相输入端通过输入组件连接输入信号，并通过第一反馈组件连接所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端。
4.根据权利要求I所述装置，其特征在于，当滤波电路处于电流模式控制之下，则所述运算放大设备包括运算放大器和第二反馈组件，所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端具体为 所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端通过第二反馈组件连接运算放大器的输出端。
5.根据权利要求4所述装置，其特征在于，当所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号，则所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端接地或连接固定电压。
6.根据权利要求4所述装置，其特征在于，当所述运算放大设备的正相输入端接地或连接固定电压，则所述输入信号连接到所述补偿电容与补偿负载并联后的第二端。
7.一种滤波器，其特征在于，所述滤波器包括串联的滤波电路与滤波器阻抗补偿装置； 所述滤波电路包括滤波电感、滤波电容以及滤波负载，其中滤波电感的阻抗为滤波电容的阻抗为Z。，滤波负载的阻抗为Zlom ;所述滤波电路输出滤波输出信号； 所述滤波器阻抗补偿装置以所述滤波输出信号作为自身的输入信号，所述滤波器阻抗补偿装置包括补偿电容、补偿负载和运算放大设备，其中补偿电容的阻抗为Z。’，补偿负载的阻抗为Zum/，所述滤波器阻抗补偿装置结构为 补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接运算放大设备的反相输入端，同时所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端，所述运算放大设备的输出端输出输出信号；所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号；或者，所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号，正相输入端接地或连接固定电压； 所述滤波电路采用电压控制模式或采用电流控制模式； Zc与Zc，的比值等于Zload与Z麵，的比值。
8.根据权利要求7所述滤波器，其特征在于，当所述滤波电路采用电压控制模式，则所述滤波器阻抗补偿装置还包括补偿电感，补偿电感的阻抗为ZJ，具体为 所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接补偿电感的第一端，补偿电感的第二端连接所述运算放大设备的输出端； Zc与Zc，的比值、Zload与Zload,和Zl与Zl，的比值，三者相等。
全文摘要
本发明实施例提供一种滤波器阻抗补偿装置及一种滤波器，所述滤波器阻抗补偿装置具体为补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接运算放大设备的反相输入端，同时所述补偿电容与补偿负载并联后的第一端连接所述运算放大设备的输出端，所述运算放大设备的输出端输出输出信号；所述运算放大设备的正相输入端连接输入信号；或者，所述运算放大设备的反相输入端连接输入信号，正相输入端接地或连接固定电压；所述滤波电路中滤波电容的阻抗为ZC，滤波负载的阻抗为ZLOAD；所述补偿电路中补偿电容的阻抗为ZC’，补偿负载的阻抗为ZLOAD’；则ZC与ZC’的比值等于ZLOAD与ZLOAD’的比值。
文档编号H03H7/01GK102832898SQ201210359278
公开日2012年12月19日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者陈永胜, 杜永生 申请人:北京新雷能科技股份有限公司, 深圳市雷能混合集成电路有限公司