CN108923627A - 一种电源跟随滤波电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电源跟随滤波电路，包括与电压输入端连接的输入取样滤波电路、与电压输出端连接的输出取样电路、跟随电路、滤波与反馈控制电路、功率回路，其中，所述电压输入端通过所述功率回路与所述电压输出端连接，所述输入取样滤波电路的输出端、输出取样电路的输出端分别与所述跟随电路的输入端连接，所述跟随电路的输出端与所述滤波与反馈控制电路的输入端连接。本发明的有益效果是：可以跟随输入电源的变化，有效地保留供电的有效直流成分，可以广泛应用于各种电压的电源滤波回路中，特别是需要调节输出电压的电路中，只滤除纹波与噪声，完整保留供电电源直流成分，减少滤波器的功耗，节能减排。

Description

一种电源跟随滤波电路

技术领域

本发明涉及滤波电路，尤其涉及一种电源跟随滤波电路。

背景技术

一些直流电源供电的设备，对直流输入Vin的纹波噪声十分敏感因此，需要对供电进行滤波处理，滤除纹波噪声这些交流成分，以得到预期的直流成分。

目前，传统方案主要是利用开关电源或变压器整流的线性电源对后级供电时，普遍采用如下方案：

方案1：无源滤波电路：由电容C滤波或电感L+电容C组成LC滤波，其原理如下，输入电源Vin经过L1、C1，得到Vout1。

方案2：低压差线性稳压器LDO(low dropout regulator)有源滤波电路，利用一个三端稳压器，得到一个固定的直流输出，原理如下，输入电源Vin经过线性稳压器或LDO，得到Vout1。

现有技术的缺陷如下：

采用方案1这两种滤波方式，对于高频的纹波噪声很有用，并且能有效地保留输入电压的有效成分。但对于低频的纹波噪声，则代价太大。比如，有低频100Hz、200mV纹波噪声，要过滤到10mV以下,电感电容的电感量与电容值将十分地大，要将电感需要1.2mH，电容需要6600μF，如果输出电流增大，则大电流大感量的电感的尺寸十分大，同时这种滤波电路导致了纹波相位的变化：

采用方案2的方式，进行有源LDO滤波，十分有效；但LDO为固定的输出，当输入电压变动时，输出仍为固定电压，也就是LDO将超出固定电压的纹波噪声以及有效成分全部滤除。而在一起供电场景中，只需要滤除纹波噪声，不需要将输入电压有效的直流成份滤除。同时，在输入电压Vin变高时，由于输出Vout固定，则压降ΔV＝Vin-Vout，将同步变大，即：Vout↑，△V↑，这样LDO滤波器上的功率损耗也将同步增加，这会导致供电能源的利用率降低，不仅导致损耗而且增加了散热成本。而在一些场景中，***需要Vout随着Vin同步增大或需要Vin中尽可能多的直流成分。所以这种方式不符合很多场景的要求。

在以上的方案1、方案2的滤波方式中，方案1可以只滤除纹波噪声，但对于低频纹波噪声则代价太大，甚至无效。方案2对于纹波噪声有效，但会截断供电的有效直流成分特别不适合Vin非固定的场景，且导致很大的损耗。

因此，如何提供一种有源滤波电路，可以有效地滤除纹波噪声，并且可以跟随输入电源的变化，有效地保留供电的有效直流成分，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种电源跟随滤波电路，可以跟随输入电源的变化，有效地保留供电的有效直流成分。

本发明提供了一种电源跟随滤波电路，包括与电压输入端连接的输入取样滤波电路、与电压输出端连接的输出取样电路、跟随电路、滤波与反馈控制电路、功率回路，其中，所述电压输入端通过所述功率回路与所述电压输出端连接，所述输入取样滤波电路的输出端、输出取样电路的输出端分别与所述跟随电路的输入端连接，所述跟随电路的输出端与所述滤波与反馈控制电路的输入端连接，所述滤波与反馈控制电路的输出端与所述功率回路连接，所述输入取样滤波电路对所述电压输入端进行输入采样，所述输出取样电路对所述电压输出端进行反馈采样，所述跟随电路将所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压输出给所述滤波与反馈控制电路，所述滤波与反馈控制电路根据所述跟随电路输出的差分电压控制所述功率回路的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波。

作为本发明的进一步改进，所述跟随电路包括运算放大器X1，所述滤波与反馈控制电路包括参考源Vref、运算放大器X2和电阻R2，所述功率回路包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输入取样滤波电路的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输出取样电路的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端接所述运算放大器X2的负极输入端，所述运算放大器X2的正极输入端接所述参考源Vref，所述运算放大器X2的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端，所述运算放大器X1将所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压输出给所述运算放大器X2，所述运算放大器X2根据所述运算放大器X1输出的差分电压以及参考源Vref来调节输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波。

作为本发明的进一步改进，所述输入取样滤波电路包括电阻R3、电阻R5和电容C2，所述电阻R3的一端连接于所述电压输入端、功率回路之间，所述电阻R3的另一端分别接所述电阻R5、电容C2后接地，所述运算放大器X1的正极输入端连接于所述电阻R3、电阻R5之间。

作为本发明的进一步改进，所述电源跟随滤波电路还包括稳压二极管D3，所述稳压二极管D3的阳极接所述电容C2后接地，所述稳压二极管D3的阴极连接于所述电压输入端、功率回路之间。

作为本发明的进一步改进，所述输出取样电路包括电阻R4、电容C3和电阻R6，所述电压输出端分别通过所述电阻R4、电容C3与所述运算放大器X1的负极输入端连接，所述运算放大器X1的输出端、电阻R6之间串联有补偿电路，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R4、运算放大器X1的负极输入端连接。

作为本发明的进一步改进，所述补偿电路包括串联的电阻R8和电容C1，所述电阻R8与所述电阻R6连接，所述电容C1与所述算比较器X1的输出端连接。

作为本发明的进一步改进，所述MOS管Q1的源极、漏极之间连接有二极管D4，所述二极管D4的阳极接于所述MOS管Q1的源极、电压输入端之间，所述二极管D4的阴极接于所述MOS管Q1的漏极、电压输出端之间。

作为本发明的进一步改进，所述参考源Vref包括电阻R9和稳压二极管D2，所述稳压二极管D2的阳极接地，所述稳压二极管D2的阴极接所述电阻R9后接于所述电压输入端、功率回路之间，所述运算放大器X2的正极输入端连接于所述电阻R9、稳压二极管D2的阴极之间。

作为本发明的进一步改进，所述跟随电路、滤波与反馈控制电路组成跟随、滤波与反馈控制单元，所述跟随、滤波与反馈控制单元包括运算放大器X1和电阻R2，所述功率回路包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输出取样电路的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输入取样滤波电路的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端，所述运算放大器X1根据所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压调节其自身的输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波

作为本发明的进一步改进，所述跟随、滤波与反馈控制单元还包括串联的电阻R8、电容C1，所述运算放大器X1的输出端与所述电阻R8连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述电容C1连接。

本发明的有益效果是：通过上述方案，提供了一种电源跟随滤波电路，可以跟随输入电源的变化，有效地保留供电的有效直流成分，可以广泛应用于各种电压的电源滤波回路中，特别是需要调节输出电压的电路中，只滤除纹波与噪声，完整保留供电电源直流成分，减少滤波器的功耗，节能减排。

附图说明

图1是本发明一种电源跟随滤波电路的原理框图。

图2是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例一的电路图。

图3是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例一的滤波效果波形图。

图4是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例二的电路图。

图5是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例二的滤波效果波形图。

图6是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例三的电路图。

图7是本发明一种电源跟随滤波电路的实施例三的电路图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种电源跟随滤波电路，包括与电压输入端(即输入Vin)1连接的输入取样滤波电路3、与电压输出端(即输出Vout)2连接的输出取样电路4、跟随电路5、滤波与反馈控制电路6、功率回路7，其中，所述电压输入端1通过所述功率回路7与所述电压输出端2连接，所述输入取样滤波电路3的输出端、输出取样电路4的输出端分别与所述跟随电路5的输入端连接，所述跟随电路5的输出端与所述滤波与反馈控制电路6的输入端连接，所述滤波与反馈控制电路6的输出端与所述功率回路7连接，所述输入取样滤波电路3对所述电压输入端1进行输入采样，所述输出取样电路4对所述电压输出端2进行反馈采样，所述跟随电路5将所述输入取样滤波电路3、输出取样电路4的差分电压输出给所述滤波与反馈控制电路6，所述滤波与反馈控制电路6根据所述跟随电路5输出的差分电压控制所述功率回路7的工作状态，从而实现电压输入端1至电压输出端2的跟随滤波。

本发明采用输入取样滤波电路3作为输入采样、输出取样电路4作为反馈采样，利用运算放大器，进行跟随、滤波与反馈，控制功率回路7的器件，达到有源滤波的目的，电路的原理框图如图1所示。

实施例一

如图2所示，本发明的基本实现方案为差分有源跟随滤波器，电路如图2所示，V1、V2组成“输入取样Vin”，电阻R3、电阻R5、电容C2组成输入取样滤波电路3，电阻R4、电容C3、电阻R6为输出取样电路4，运算放大器X1的输出将跟随输入输出输入取样滤波电路3、输出取样电路4的差值，作为跟随电路5，输出到运算放大器X2，电阻R9与稳压二极管D2为参考源，电阻R9、稳压二极管D2与运算放大器X2、电阻R8、电容C1构成滤波与反馈控制电路6。运算放大器X2根据运算放大器X1的输出以及参考源Vref，调节运算放大器X2的输出，通过电阻R2控制功率回路7的MOS管Q1的工作状态，从而实现Vin到Vout的跟随滤波。

具体实施方案如下：

如图2所示，所述跟随电路5包括运算放大器X1，所述滤波与反馈控制电路6包括参考源Vref、运算放大器X2和电阻R2，所述功率回路7包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输入取样滤波电路3的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输出取样电路4的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端接所述运算放大器X2的负极输入端，所述运算放大器X2的正极输入端接所述参考源Vref，所述运算放大器X2的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端1，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端2，所述运算放大器X1将所述输入取样滤波电路3、输出取样电路4的差分电压输出给所述运算放大器X2，所述运算放大器X2根据所述运算放大器X1输出的差分电压以及参考源Vref来调节输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端1至电压输出端2的跟随滤波。

如图2所示，所述输入取样滤波电路3包括电阻R3、电阻R5和电容C2，所述电阻R3的一端连接于所述电压输入端1、功率回路7之间，所述电阻R3的另一端分别接所述电阻R5、电容C2后接地，所述运算放大器X1的正极输入端连接于所述电阻R3、电阻R5之间。

如图2所示，所述输出取样电路4包括电阻R4、电容C3和电阻R6，所述电压输出端分别通过所述电阻R4、电容C3与所述运算放大器X1的负极输入端连接，所述运算放大器X1的输出端、电阻R6之间串联有补偿电路(又称补偿网络)，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R4、运算放大器X1的负极输入端连接。

如图2所示，所述补偿电路包括串联的电阻R8和电容C1，所述电阻R8与所述电阻R6连接，所述电容C1与所述算比较器X1的输出端连接。

如图2所示，所述MOS管Q1的源极、漏极之间连接有二极管D4，所述二极管D4的阳极接于所述MOS管Q1的源极、电压输入端1之间，所述二极管D4的阴极接于所述MOS管Q1的漏极、电压输出端2之间。

如图2所示，所述参考源Vref包括电阻R9和稳压二极管D2，所述稳压二极管D2的阳极接地，所述稳压二极管D2的阴极接所述电阻R9后接于所述电压输入端1、功率回路7之间，所述运算放大器X2的正极输入端连接于所述电阻R9、稳压二极管D2的阴极之间。

如图2所示，基本实现电路的原理说明：输入电源Vin由直流成分与纹波噪声的交流成分组成，其中V1表示Vin的直流成分，V2表示Vin的纹波噪声的交流部分。电阻R3,电阻R4,电阻R5,电阻R6,电容C2,电容C3以及运算放大器X1组成滤波的差分放大器，对Vin的直流成分V1检出，并与输出Vout进行差分放大，得到差分电压。

△V输入到运算放大器X2的负输入端口；稳压二极管D2与电阻R9形成一个参考源Vref输入到运算放大器X2的正输入端口；运算放大器X2根据它的正输入端口、负输入端口以及电阻R8、电容C1组成的补偿网络，形成一个完整的闭环反馈，控制MOS管Q1的工作状态，从而得到预期的输出电源Vout。

这里，为了表达方便，本发明设定R3＝R4，R5＝R6,则得到以下等式：

故

由于V1是输入电源的Vin的直流有效成分，而电阻R4、R6以及Vref为常量，则所以Vout可以跟随V1，从而有效滤除Vin的纹波与噪声的交流部分，且保留了直流成分，达到跟随滤波的目的。改变差分放大的倍数，可以方便调节Vout与V1之间的损耗，节省滤波器的功耗。图3是有源跟随滤波的输入Vin经过本发明的有源滤波器后的效果图，其中上面的曲线为电源输入Vin波形，下面的直线为电源输出Vout波形。

实施例二

如图4所示，在实施例一的基础上，将所述跟随电路5、滤波与反馈控制电路6组成跟随、滤波与反馈控制单元，所述跟随、滤波与反馈控制单元包括运算放大器X1和电阻R2，所述功率回路7包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输出取样电路2的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输入取样滤波电路1的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端1，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端2，所述运算放大器X1根据所述输入取样滤波电路3、输出取样电路4的差分电压调节其自身的输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端1至电压输出端2的跟随滤波

如图4所示，所述跟随、滤波与反馈控制单元还包括串联的电阻R8、电容C1，所述运算放大器X1的输出端与所述电阻R8连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述电容C1连接。

如图4所示，实施例二为另一种实现电路为误差有源滤波器，简化了实施例一中的差分有源滤波器的差分放大器部分，降低成本，V1、V2组成“输入取样Vin”，电阻R3、电阻R5、电容C2组成输入取样滤波电路3，电阻R4、电容C3、电阻R6为输出取样电路4，输入取样滤波电路3、输出取样电路4输入到运算放大器X1，运算放大器X1、电阻R8、电容C1构成“跟随、滤波与反馈控制”电路。运算放大器X1根据V3、V4输入，调节运算放大器X1自身的输出，通过电阻R2控制功率回路7的MOS管Q1的工作状态，从而实现Vin到Vout的跟随滤波。

其工作原理图如图4所示，其中V1表示Vin的直流成分，V2表示Vin的纹波噪声部分，电阻R3、电阻R5、电容C2组成输入取样滤波电路1，将采样滤波后的电压送到运算放大器X1的负输入端口，电阻R4、电阻R6、电容C3组成输出取样电路4，将采样后的电压送到运算放大器X1的正输入端口，电容C3、电容C1、电阻R8组成补偿电路，运算放大器X1根据其正输入端口与负输入端口的误差，进行误差放大，从而通过电阻R2控制控制功率回路7的MOS管Q1的工作状态，最终达到跟随滤波的目的。

实施例二的工作原理是：输入取样滤波电路1对输入进行比例取样，并滤波，得到Vin的比例平均电压：

其中

同样，输出取样滤波电路2对输出进行比例取样得到Vout的比例平均电压：

V4＝b×Vout，其中

利用运算放大器X1，进行误差反馈控制后，根据运算放大器的特性，会使得V3虚等于V4，记为V3＝V4,从而得到：

改变a、b的值，就可以得到一个将Vin滤除纹波与噪声后的Vout。

图4的有源跟随滤波电路，Vin＝V1+V2,V1为直流成分，则其平均值：

V2为纹波噪声的交流成分，则V2的平均值:

从而，输入电压Vin的平均值为：

故：

在电路设计完成后，设定好电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6的值，Vout就可以跟随电源输入Vin的直流成分V1了，达到了滤除纹波噪声的交流成分的目的。

其滤波的波形示意如图5所示。

实施例三

如图6、7所示，在实施例一的基础上，增加稳压二极管D3，具体为，所述电源跟随滤波电路6还包括稳压二极管D3，所述稳压二极管D3的阳极接所述电容C2后接地，所述稳压二极管D3的阴极连接于所述电压输入端1、功率回路7之间。

稳压二极管D3是为了提高开关机时，滤波电路的响应速度，此外，在一些特定的场景，为了进一步提高有源滤波器的开关机响应速度与短路保护的响应速度，会增加二极管D4，如图6、7所示。

功率回路7可以采用P-MOSFET管，也可以采用N-MOSFET管，也可以采用三极管作为功率回路的主器件，本发明中二极管D1是作为功率回路的保护用。

本发明提供的一种电源跟随滤波电路，可以跟随输入电源的变化，有效地保留供电的有效直流成分，可以广泛应用于各种电压的电源滤波回路中，特别是需要调节输出电压的电路中，只滤除纹波与噪声，完整保留供电电源直流成分，减少滤波器的功耗，节能减排。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电源跟随滤波电路，其特征在于：包括与电压输入端连接的输入取样滤波电路、与电压输出端连接的输出取样电路、跟随电路、滤波与反馈控制电路、功率回路，其中，所述电压输入端通过所述功率回路与所述电压输出端连接，所述输入取样滤波电路的输出端、输出取样电路的输出端分别与所述跟随电路的输入端连接，所述跟随电路的输出端与所述滤波与反馈控制电路的输入端连接，所述滤波与反馈控制电路的输出端与所述功率回路连接，所述输入取样滤波电路对所述电压输入端进行输入采样，所述输出取样电路对所述电压输出端进行反馈采样，所述跟随电路将所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压输出给所述滤波与反馈控制电路，所述滤波与反馈控制电路根据所述跟随电路输出的差分电压控制所述功率回路的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波。

2.根据权利要求1所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述跟随电路包括运算放大器X1，所述滤波与反馈控制电路包括参考源Vref、运算放大器X2和电阻R2，所述功率回路包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输入取样滤波电路的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输出取样电路的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端接所述运算放大器X2的负极输入端，所述运算放大器X2的正极输入端接所述参考源Vref，所述运算放大器X2的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端，所述运算放大器X1将所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压输出给所述运算放大器X2，所述运算放大器X2根据所述运算放大器X1输出的差分电压以及参考源Vref来调节输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波。

3.根据权利要求2所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述输入取样滤波电路包括电阻R3、电阻R5和电容C2，所述电阻R3的一端连接于所述电压输入端、功率回路之间，所述电阻R3的另一端分别接所述电阻R5、电容C2后接地，所述运算放大器X1的正极输入端连接于所述电阻R3、电阻R5之间。

4.根据权利要求3所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述电源跟随滤波电路还包括稳压二极管D3，所述稳压二极管D3的阳极接所述电容C2后接地，所述稳压二极管D3的阴极连接于所述电压输入端、功率回路之间。

5.根据权利要求3所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述输出取样电路包括电阻R4、电容C3和电阻R6，所述电压输出端分别通过所述电阻R4、电容C3与所述运算放大器X1的负极输入端连接，所述运算放大器X1的输出端、电阻R6之间串联有补偿电路，所述电阻R6的另一端分别与所述电阻R4、运算放大器X1的负极输入端连接。

6.根据权利要求5所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述补偿电路包括串联的电阻R8和电容C1，所述电阻R8与所述电阻R6连接，所述电容C1与所述算比较器X1的输出端连接。

7.根据权利要求2所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述MOS管Q1的源极、漏极之间连接有二极管D4，所述二极管D4的阳极接于所述MOS管Q1的源极、电压输入端之间，所述二极管D4的阴极接于所述MOS管Q1的漏极、电压输出端之间。

8.根据权利要求2所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述参考源Vref包括电阻R9和稳压二极管D2，所述稳压二极管D2的阳极接地，所述稳压二极管D2的阴极接所述电阻R9后接于所述电压输入端、功率回路之间，所述运算放大器X2的正极输入端连接于所述电阻R9、稳压二极管D2的阴极之间。

9.根据权利要求1所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述跟随电路、滤波与反馈控制电路组成跟随、滤波与反馈控制单元，所述跟随、滤波与反馈控制单元包括运算放大器X1和电阻R2，所述功率回路包括MOS管Q1，所述运算放大器X1的正极输入端与所述输出取样电路的输出端连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述输入取样滤波电路的输出端连接，所述运算放大器X1的输出端通过所述电阻R2与所述MOS管Q1的栅极连接，所述MOS管Q1的源极接所述电压输入端，所述MOS管Q1的漏极接所述电压输出端，所述运算放大器X1根据所述输入取样滤波电路、输出取样电路的差分电压调节其自身的输出，并通过所述电阻R2来控制所述MOS管Q1的工作状态，从而实现电压输入端至电压输出端的跟随滤波

10.根据权利要求9所述的电源跟随滤波电路，其特征在于：所述跟随、滤波与反馈控制单元还包括串联的电阻R8、电容C1，所述运算放大器X1的输出端与所述电阻R8连接，所述运算放大器X1的负极输入端与所述电容C1连接。