一文讀懂電源濾波器及其設(shè)計(jì)技巧

2023/9/12 10:02:39??????點(diǎn)擊：
      本文介源濾波器的作用、原理、要求和步驟，以及一些設(shè)計(jì)的技巧和注意事項(xiàng)。


      


      高頻紋波會(huì)直接穿過線性穩(wěn)壓器。紋波來自開關(guān)電源、數(shù)字電路和無線電干擾。在頻率高于 10 kHz 時(shí)，大多數(shù)線性穩(wěn)壓器開始失效。分布在芯片之間的小旁路電容在約1MHz時(shí)開始有效。由電感和電容組成的低通濾波電路，可以去除10kHz到1MHz之間的紋波。


      


      一個(gè)好的電源濾波器可以由一個(gè)電感和一個(gè)阻尼電容組成。這被稱為LC濾波器。也有可能使用更多或更少的元件設(shè)計(jì)其他類型的濾波器。設(shè)計(jì)過程是首先是電感選型，然后圍繞它設(shè)計(jì)濾波器。如果不能設(shè)計(jì)出一個(gè)可接受的濾波器，就要找出電感的問題所在，選擇一個(gè)更好的電感，然后重試。


      在上圖的簡單設(shè)計(jì)中，假設(shè)電源穩(wěn)壓器是在板外，通過連接器輸入一個(gè)穩(wěn)定的電壓。當(dāng)有一個(gè)本地穩(wěn)壓器時(shí)，設(shè)計(jì)更簡單，有時(shí)可以減少電源濾波器。


      電源濾波器在穩(wěn)壓器后面，所以它需要有一個(gè)低的直流電壓降。電感的數(shù)據(jù)表有一個(gè)直流電阻的值。電壓降大約是這個(gè)電阻乘以電流的20%多。額外的20%是為了考慮到在高溫下電感的銅線電阻的增加。


      電感選型


      濾波器所需的電感值不太難計(jì)算。它應(yīng)該比與電源串聯(lián)的所有其他電感大約大十倍。如果電源中沒有其他的電感或鐵氧體珠，這個(gè)電感是由于電纜和印刷電路板走線造成的。計(jì)算這個(gè)電感的不太準(zhǔn)確的近似方法是取電源傳輸?shù)淖畲箝L度，然后乘以每毫米1nH。電源平面的電感要低得多，對(duì)于這個(gè)計(jì)算，可以忽略電源平面路徑的長度。


      在這個(gè)例子中，我想使用一根 300mm 的電纜為 PCB 供電，PCB的尺寸是大約100mm X 100mm。一個(gè)寬裕的總長度是500mm，這意味著我的電源分配電感大約是500nH。為了讓電源濾波器的電感比這個(gè)大十倍左右，我選擇了一個(gè)10uH +/- 30%的電感。額外的電感是為了考慮-30%的公差。除了初始的公差之外，電感值隨著電流的增加而下降。這個(gè)電感，當(dāng)流過它的電流是 2.4安培時(shí)，電感值會(huì)下降 35%。


      我選擇了Bourns SRU1028系列的電感。它有低高度，自屏蔽，而且容易獲得。我通過在Digi-Key上搜索一個(gè)低成本、至少2安培電流等級(jí)的10uH電感來找到它。


      下圖是此型號(hào)的電感模型：


      


      上圖的電感模型使用了四個(gè)元件。電感L和數(shù)據(jù)表上的L相同。串聯(lián)電阻RESR和數(shù)據(jù)表上的RDC相同。RQ和CSRF的值是根據(jù)數(shù)據(jù)表上的fSRF，Q和Q測試頻率計(jì)算出來的。


      


      這些額外的元件使得電感具有上圖所示的阻抗特性。實(shí)線曲線是阻抗的分貝幅值，虛線曲線是阻抗的相位角（phase angle）。在1kHz以下，電感表現(xiàn)為一個(gè)小電阻RDC。在1kHz以上，它表現(xiàn)為一個(gè)電感，直到接近自諧振頻率（SRF）。在SRF附近的一小段頻率范圍內(nèi)，電感表現(xiàn)為一個(gè)大阻值電阻，其值為RQ。在SRF以上，電感表現(xiàn)為一個(gè)電容CSRF。


      從這里開始，使用電路仿真潤建可以節(jié)省時(shí)間。免費(fèi)的模擬器LTspic使用下圖的仿真原理圖創(chuàng)建了上圖的電感阻抗圖。


      


      電源 V1 是 1V 交流電源。阻抗可以用-1/(i(V1))這個(gè)表達(dá)式來繪制。


      電容選型


      將上面的電感模型原理圖圖轉(zhuǎn)換為低通濾波器非常容易，只需在原理圖中添加一個(gè)電容即可。我選擇了Kemet電容，型號(hào)是 T491A106010A，這是一個(gè)10uF極化鉭電容，最大等效串聯(lián)電阻為3.8Ω，額定電壓為10V。


      


      這個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)是V(VOUT)/V(VIN)，但由于在仿真中V(VIN) = 1，所以我們直接看V(VOUT)的輸出曲線是一樣的。


      


      高Q值、低ESR的陶瓷電容已經(jīng)在許多應(yīng)用中取代了鉭電容。接下來，我嘗試了使用低ESR的陶瓷電容進(jìn)行模擬，而不是使用鉭電容。


      


      15.9kHz的峰值是LB和CB的共振。共振就好像我們唱歌時(shí)，當(dāng)我們唱到某個(gè)特定的音高時(shí)，聲音會(huì)變得更響亮。在這里，LB和CB就像是一個(gè)共鳴箱子，當(dāng)它們受到15.9kHz的聲音波動(dòng)時(shí)，就會(huì)共振并發(fā)出更強(qiáng)的聲音。


      


      這個(gè)頻率下的電源紋波會(huì)增加而不是減少。由于這種共振的頻率范圍很窄，所以在測試中很容易忽略這種共振的影響。LB和CB的值有較大的公差，而且隨著時(shí)間和溫度的變化而漂移。為了解決這個(gè)共振問題，可以增加一個(gè)串聯(lián)電阻。一個(gè)好的阻尼電阻值的初步估計(jì)是：


      


      使用電路仿真軟件來找到第一個(gè)共振點(diǎn)，并調(diào)整電阻值來找到最佳的阻尼值。陶瓷電容和電阻是比鉭電容更可重復(fù)的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)殂g電容的ESR可能有很大的取值范圍。


      負(fù)載網(wǎng)絡(luò)建模


      到目前為止，這個(gè)例子沒有負(fù)載阻抗或負(fù)載電流。要看看這個(gè)濾波器在電路板上的效果，模擬需要包括印刷電路板走線電感和旁路電容。在高于100MHz的頻率下，傳輸線效應(yīng)進(jìn)一步復(fù)雜化了模型。下一個(gè)電路例子有一個(gè)簡化的模型，代表了PC 板電源中常見的負(fù)載。你可以查看你自己的電路，用每毫米1nH的粗略電感近似來估計(jì)走線電感。更準(zhǔn)確的模型可以用一個(gè)功率完整性（PI）CAD工具來制作。


      


      這些替代走線的電感在電力分配網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)為額外的諧振（resonances ）。


      


      當(dāng)負(fù)載表現(xiàn)為電感和電容時(shí)，仿真波形會(huì)多出一些額外的諧振（resonances）。盡管有這些諧振，這個(gè)濾波器的性能仍然很好。濾波器的整體形狀得以保留，因?yàn)殡姼斜刃∝?fù)載電感的總和要大得多，而阻尼電容比旁路電容的總和要大得多。


      這個(gè)電路板和真實(shí)的電路仍然有一些區(qū)別。由于傳輸線效應(yīng)，真實(shí)世界的電路在100MHz以上的頻率下會(huì)有不同的響應(yīng)。另外，其他小電和電感也變得重要，特別是在500MHz以上的頻率下。


      如果沒有電源濾波電路，或者使用一個(gè)大的沒有阻尼的電容，會(huì)導(dǎo)致像這樣的諧振：


      


      負(fù)載電流


      當(dāng)我們使用電源給負(fù)載供電時(shí)時(shí)，有些負(fù)載會(huì)頻繁地需要不同電流，而這種電流會(huì)導(dǎo)致電源電壓不穩(wěn)定。為了解決這個(gè)問題，我們需要使用一種叫做旁路電容的東西。旁路電容可以儲(chǔ)存電荷，當(dāng)設(shè)備需要電流時(shí)，它可以提供瞬間的電流。脈動(dòng)負(fù)載的一個(gè)例子是處理器進(jìn)入和退出低功耗睡眠模式。


      但是，有時(shí)候旁路電容會(huì)和電源網(wǎng)絡(luò)中的電感產(chǎn)生共振。這就好像我們唱歌時(shí)，聲音會(huì)在房間里反射出來，導(dǎo)致聲音變得更響亮。為了解決這個(gè)問題，我們需要在電源輸入處加入一個(gè)過濾器來減弱這種共振。就好像我們?cè)诔钑r(shí)，如果我們把房間的門窗關(guān)上，聲音就不會(huì)反射出來，變得更加柔和。


      旁路電容還可以與電源分配網(wǎng)絡(luò)中的電感共振。在電源輸入濾波器處阻尼共振并不能保證所有由負(fù)載電流引起的共振也會(huì)被阻尼，但通常會(huì)有所幫助。為了演示潛在問題，這里是未阻尼（R3 = 0.01歐姆）版本的濾波器，其中一個(gè)負(fù)載點(diǎn)有一個(gè)交流電流源。


      


      VLOAD處的阻抗為v(VLOAD)/i(I1)。由于I1中的交流電流設(shè)定為1，所以阻抗就是v(VLOAD)：


      


      上面的無阻尼共振頻率為1.87兆赫。這是一個(gè)脈沖負(fù)載會(huì)引起問題的一個(gè)頻率。


      


      我用上面示意圖中顯示的脈沖電流源模擬了脈沖負(fù)載。這個(gè)例子顯示了幅值為20mA、周期為535ns的脈沖。當(dāng)脈沖電流源的周期與共振頻率的倒數(shù)相等時(shí)，電壓擺動(dòng)最大。


      在這個(gè)例子中，紋波電壓的正弦波形是電力分配中未阻尼、高Q值共振的典型特征。未阻尼共振作為一個(gè)濾波器，將電流脈沖轉(zhuǎn)化為正弦電壓波形。


      


      如果在仿真結(jié)束時(shí)電壓仍在增長，請(qǐng)?jiān)黾臃抡鏁r(shí)間以找到最大值。更尖銳（更高的Q因子）的共振需要更長時(shí)間來穩(wěn)定下來。


      在睡眠模式電流脈沖的例子中，軟件的改變會(huì)導(dǎo)致脈沖的頻率發(fā)生變化。由于共振引起的大幅度電壓波動(dòng)只有在睡眠周期與共振頻率相一致時(shí)才會(huì)發(fā)生。在開發(fā)過程中，這可能會(huì)導(dǎo)致一些神秘的錯(cuò)誤，看起來是軟件相關(guān)的，但實(shí)際上是由硬件引起的。在生產(chǎn)過程中，元件的變化會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致生產(chǎn)問題。在使用過程中，溫度變化和元件漂移會(huì)使共振頻率發(fā)生偏移，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。


      下一個(gè)仿真波形顯示了阻尼版本，電阻R3設(shè)置為3.8歐姆。交流分析顯示，最大的兩個(gè)高Q共振已經(jīng)被阻尼：


      


      這改變了脈沖負(fù)載電流引起的形狀并降低了電壓波形。


     


      這種三角波形是脈沖負(fù)載的典型特征。它是由局部旁路電容的充放電周期造成的。這種三角波的幅度可以通過增大旁路電容來減小。如果紋波波形看起來更像一個(gè)方波，那么它是由旁路網(wǎng)絡(luò)的電阻引起的，可以通過使用低ESR的旁路電容或更寬的走線來減小。開啟時(shí)的長而緩慢的脈沖是由100KHz處阻尼的低頻共振引起的。短暫的尖峰是10ns電流源邊緣的穿透，可以通過降低旁路電容路徑的電感來減小。大約4MHz處剩余的共振需要進(jìn)一步模擬。


      總結(jié)


      通過使用正確設(shè)計(jì)的、帶阻尼的低通濾波器來避免電源分配共振。


       · 電源濾波器的作用是去除電源上的高頻紋波，這些紋波可能來自開關(guān)電源、數(shù)字電路或無線干擾。高頻紋波會(huì)影響線性穩(wěn)壓器的效果，導(dǎo)致電路不穩(wěn)定或失效。


       · 電源濾波器的原理是利用一個(gè)電感和一個(gè)電容組成的LC濾波器，形成一個(gè)低通濾波器，只讓低頻信號(hào)通過，而阻止高頻信號(hào)。LC濾波器的截止頻率和阻尼系數(shù)取決于電感和電容的值，以及串聯(lián)或并聯(lián)的阻尼電阻。


       · 電源濾波器的要求是要有足夠大的電感值和電容值，以覆蓋10kHz到1MHz之間的頻率范圍，同時(shí)要有足夠小的直流壓降和阻尼電阻，以減少功耗和熱量。另外，還要考慮元件的公差、溫度漂移、寄生參數(shù)等因素，以保證濾波器的穩(wěn)定性和可靠性。


       · 電源濾波器的設(shè)計(jì)步驟是先根據(jù)電路的需求和條件，估算出所需的電感值和電容值，然后選擇合適的元件，并用電路模擬器進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化。如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理或不滿足要求，就要重新選擇元件或調(diào)整參數(shù)，直到達(dá)到預(yù)期的效果。