引言

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器因電源轉(zhuǎn)換效率高而被廣泛采用，但其開(kāi)關(guān)動(dòng)作也使其成為傳導(dǎo)噪聲源。在許多系統(tǒng)中，尤其是包含敏感模擬、射頻或通信電路的系統(tǒng)，必須在噪聲通過(guò)輸入電源總線傳播前加以控制。輸入濾波器通常是第一道防線，但不能將其簡(jiǎn)單視為附加元件。輸入濾波器的諧振、阻尼、與轉(zhuǎn)換器的阻抗交互及啟動(dòng)行為均會(huì)影響系統(tǒng)性能。

本文詳解了DC-DC轉(zhuǎn)換器差模(DM)輸入濾波器的實(shí)際設(shè)計(jì)方法。文中首先回顧了LC濾波器的基本特性，包括衰減斜率、電容等效串聯(lián)電阻(ESR)和諧振峰值。隨后展示了如何增加阻尼以提高穩(wěn)定性，分析了無(wú)阻尼濾波器如何導(dǎo)致啟動(dòng)過(guò)壓或輸出振蕩，并說(shuō)明了如何使用LTspice估算傳導(dǎo)發(fā)射衰減量及比較單級(jí)與兩級(jí)濾波器方案。

差模LC濾波器特性

LC濾波器屬于雙極點(diǎn)濾波器，其諧振頻率計(jì)算公式如下：

每個(gè)極點(diǎn)提供–20dB/dec的衰減，總衰減斜率為–40dB/dec。濾波電容的ESR會(huì)引入一個(gè)零點(diǎn)，為斜率貢獻(xiàn)+20dB/dec。零點(diǎn)頻率計(jì)算公式如下：

圖1展示了一個(gè)典型LC濾波器示例。L1和C2構(gòu)成濾波器，C1是V1的去耦電容，Cin代表DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電容。開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器因開(kāi)關(guān)動(dòng)作，會(huì)從輸入端抽取含有豐富諧波的脈動(dòng)電流。濾波器必須在相關(guān)頻段內(nèi)衰減輸入電流，防止其回流至電源端并污染為其他敏感電子設(shè)備供電的總線電壓。隨著頻率升高，C2的電抗減小而L1的電抗增大，使電流諧波被旁路到地。

理想的濾波電感應(yīng)具有適中的電感值和較低的直流電阻(DCR)。過(guò)大的電感會(huì)減緩對(duì)負(fù)載瞬態(tài)的響應(yīng)；由于電感與輸入串聯(lián)，應(yīng)盡可能降低DCR以減小壓降和功耗。設(shè)計(jì)權(quán)衡在于：在保持相同f0的前提下，減小電感值需相應(yīng)增大電容值。電容ESR也會(huì)影響目標(biāo)頻點(diǎn)的總衰減量。

圖1所示LTspice原理圖中，ESR在1mΩ和100mΩ兩個(gè)值之間步進(jìn)變化。f0保持在33.4kHz不變，因?yàn)橹C振頻率不由電容ESR決定，但ESR零點(diǎn)頻率fESR從7.23MHz (1mΩ)移至72.34kHz (100mΩ)。圖2展示了此電路的仿真結(jié)果。若DC-DC轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，兩種ESR下的衰減差值為22.7dB。ESR零點(diǎn)會(huì)將濾波器斜率從–40dB/dec降至–20dB/dec，從而限制可實(shí)現(xiàn)的高頻衰減量。

設(shè)計(jì)人員通常傾向于選用低DCR和低ESR元件，這在大多數(shù)情況下是正確的做法。然而，由于LC濾波器本質(zhì)上是一種諧振RLC網(wǎng)絡(luò)，極低的ESR可能在f0處產(chǎn)生顯著峰值。這意味著輸入濾波器的輸出阻抗會(huì)達(dá)到較高值，使設(shè)計(jì)更易出現(xiàn)不穩(wěn)定問(wèn)題。根據(jù)Middlebrook準(zhǔn)則，為避免不穩(wěn)定，輸入濾波器的輸出阻抗必須始終低于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。因此，必須對(duì)上述峰值進(jìn)行阻尼處理。峰值幅度與品質(zhì)因數(shù)相關(guān)，計(jì)算公式如下：

若fESR ? f0，濾波器將呈現(xiàn)高Q值和顯著峰值，但仍保持–40dB/dec的斜率。若fESR ? f0，則Q ≈ 1，系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼響應(yīng)?？赏ㄟ^(guò)在濾波電容兩端并聯(lián)RC支路來(lái)實(shí)現(xiàn)阻尼。當(dāng)Q ≈ 1時(shí)，阻尼電阻值計(jì)算公式如下：

阻尼電容值通常選取為濾波電容值的3倍至10倍。

圖1：典型的LC濾波器；L1和C2構(gòu)成濾波器

圖2：濾波器仿真結(jié)果，C2的ESR在兩個(gè)值之間變化：1mΩ和100mΩ

無(wú)阻尼與阻尼LC濾波器設(shè)計(jì)示例

圖3展示了當(dāng)濾波電容ESR低至1mΩ時(shí)，無(wú)阻尼濾波器與阻尼濾波器的差異。C5選為C4容值的4.5倍，R1計(jì)算值為0.213Ω，實(shí)際選用0.2Ω電阻。圖4所示仿真結(jié)果表明，在1MHz處無(wú)明顯峰值，衰減量約為–58dB。

圖3：阻尼與無(wú)阻尼輸入濾波器對(duì)比

圖4：無(wú)阻尼與阻尼濾波器仿真結(jié)果

將無(wú)阻尼濾波器連接至DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端時(shí)，可能出現(xiàn)以下兩個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題。

1.IC在啟動(dòng)時(shí)可能會(huì)失?。?/p>

啟動(dòng)時(shí)，輸入電壓可能發(fā)生振鈴，峰值接近VIN的兩倍。對(duì)于12V轉(zhuǎn)5V且IC絕對(duì)最大輸入額定值為42V的設(shè)計(jì)，此類(lèi)啟動(dòng)過(guò)壓不太可能損壞器件。但在28V轉(zhuǎn)5V的設(shè)計(jì)中，振鈴電壓可能超過(guò)絕對(duì)最大輸入額定值，從而導(dǎo)致IC損壞。

2.輸出可能會(huì)振蕩：

LC濾波器本身易在f0處發(fā)生振蕩，脈動(dòng)輸入電流會(huì)持續(xù)激發(fā)此諧振。圖5展示了LT8609S的內(nèi)置LTspice原理圖。電路中添加了輸入濾波器和額外輸入電容以復(fù)現(xiàn)無(wú)阻尼濾波器設(shè)計(jì)。濾波器諧振頻率f0由L2和總電容CT = C7 + C8 + C9決定，計(jì)算公式如下：

結(jié)果如圖6所示，輸出電壓在濾波器諧振頻率處出現(xiàn)振蕩。探測(cè)after_filter網(wǎng)絡(luò)可發(fā)現(xiàn)根本原因：輸入電壓發(fā)生了振蕩。此外，峰值電壓達(dá)46.6V，超過(guò)了LT8609的42V絕對(duì)最大輸入額定值。

圖5：輸入端接有無(wú)阻尼輸入濾波器的LT8609原理圖

圖6：仿真顯示輸出振蕩是由輸入濾波器導(dǎo)致輸入電壓在f0處振蕩引起的

LTspice中的設(shè)計(jì)示例

本例中，無(wú)線電接收器需在3A負(fù)載電流下將15V轉(zhuǎn)換為5V。開(kāi)關(guān)頻率為1MHz，設(shè)計(jì)須符合MIL-STD-461G標(biāo)準(zhǔn)。選用LT8624S（第三代Silent Switcher?器件），因其具備低噪聲和低電磁干擾(EMI)性能。依據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)和LTpowerCAD計(jì)算出該設(shè)計(jì)的元件值，如圖7所示。

圖7：用于15V轉(zhuǎn)5V、3A負(fù)載電流的LT8624S LTspice原理圖

MIL-STD-461G規(guī)定了電源線的傳導(dǎo)發(fā)射限值：CE101覆蓋30Hz至10kHz，CE102覆蓋10kHz至10MHz。限值單位為dBμV，需配合線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)使用，LISN置于電源與受試設(shè)備(EUT)之間。LISN提供已知阻抗（通常約50Ω），并將EUT產(chǎn)生的傳導(dǎo)電流轉(zhuǎn)換為輸出端可測(cè)量的電壓。LTspice LISN電路可參考文章《如何使用LTspice獲得出色的EMC仿真結(jié)果 - 第1部分》。圖8展示了CE102限值曲線。對(duì)于28V以下系統(tǒng)，CE102基礎(chǔ)曲線在約1MHz以上給出了約60dBμV的平坦限值。仿真完成后，將光標(biāo)懸停在電壓源上以繪制流過(guò)V1的電流；光標(biāo)變?yōu)殡娏魈筋^后，點(diǎn)擊左鍵即可。顯示I(V1)波形后，在波形查看器中右鍵單擊并選擇View → FFT。此時(shí)將彈出窗口供選擇快速傅里葉變換(FFT)顯示的波形。選擇I(V1)并點(diǎn)擊OK。隨后顯示I(V1)的FFT結(jié)果，左側(cè)縱軸以dB為單位顯示幅值。如需將幅值轉(zhuǎn)換為線性刻度，請(qǐng)將光標(biāo)懸停在左側(cè)縱軸上直至變?yōu)闃?biāo)尺圖標(biāo)，然后右鍵單擊打開(kāi)Left Vertical Axis – Magnitude窗口。將單選按鈕從Decibel改為L(zhǎng)inear，然后點(diǎn)擊OK。輸入電流幅值即以線性刻度顯示。圖9顯示I(V1)幅值約為657mA。利用LISN約50Ω的輸入阻抗將此電流轉(zhuǎn)換為電壓：

將32.85V轉(zhuǎn)換為dBμV：

所需的濾波器衰減量為150dB – 60dB = 90dB。另一種計(jì)算方法是利用60dBμV = 1mV的關(guān)系。即：

將仿真得到的657mA除以20μA得到32,800，20log(32800) = 90.31dB。

圖8：CE102傳導(dǎo)發(fā)射限值曲線（單位：dBμV）

圖9：輸入電流I(V1)的線性刻度幅值

下一步是確定在1MHz處實(shí)現(xiàn)–90dB衰減所需的濾波器諧振頻率。LC濾波器的衰減量計(jì)算公式如下：

設(shè)計(jì)過(guò)程中通常先選定電感值，再利用濾波器方程求解電容值。對(duì)于單級(jí)LC濾波器而言，90dB的衰減目標(biāo)過(guò)高，難以在保持快速瞬態(tài)響應(yīng)的同時(shí)選出合適元件。例如，若選用4.7μH電感：

為對(duì)濾波器進(jìn)行阻尼處理，至少需要170μF × 3 = 510μF的阻尼電容，此容值過(guò)大。一種方案是增大電感值并僅使用單級(jí)LC濾波器。此舉可減少元件數(shù)量，但會(huì)犧牲尺寸、成本和瞬態(tài)響應(yīng)性能。更實(shí)用的方案是采用兩級(jí)LC濾波器，其在達(dá)到fESR之前形成四階濾波器，衰減斜率達(dá)–80dB/dec。更陡峭的斜率允許將f0提高10倍，同時(shí)仍能滿足衰減目標(biāo)。作為對(duì)比，當(dāng)f0 = 56.2kHz時(shí)，單級(jí)LC濾波器需選用33μH電感，而兩級(jí)LC濾波器僅需1μH電感。

圖10展示了兩種濾波器電路，圖11為仿真結(jié)果。單級(jí)濾波器勉強(qiáng)達(dá)到–90dB衰減，且僅在電容ESR為2mΩ或更低時(shí)才能實(shí)現(xiàn)，表明ESR零點(diǎn)已影響衰減斜率。對(duì)于fSW = 1MHz的應(yīng)用，33μH電感值過(guò)大，不利于快速瞬態(tài)響應(yīng)。相比之下，兩級(jí)LC濾波器使用較小值的元件即可提供超過(guò)–100dB的衰減量。額外的衰減裕度增強(qiáng)了設(shè)計(jì)信心，確保即使在電容因偏置電壓和溫度發(fā)生降額后，仍能滿足90dB的衰減目標(biāo)。

圖10：?jiǎn)渭?jí)與兩級(jí)LC濾波器對(duì)比的LTspice原理圖

圖11：兩種濾波器配置的LTspice仿真結(jié)果對(duì)比

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文闡述了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸入濾波器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：既要充當(dāng)EMI濾波器，又要作為連接轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定電源接口。簡(jiǎn)單的LC濾波器可提供強(qiáng)大的差模衰減，但必須綜合考慮電容ESR、諧振峰值、啟動(dòng)行為及與轉(zhuǎn)換器輸入阻抗的相互作用，以避免不穩(wěn)定或過(guò)壓應(yīng)力。借助LTspice，可根據(jù)傳導(dǎo)發(fā)射限值估算所需衰減量，比較單級(jí)與兩級(jí)方案，并在硬件制作前驗(yàn)證阻尼效果。作為實(shí)用設(shè)計(jì)指南，建議從發(fā)射目標(biāo)和目標(biāo)頻段出發(fā)，在滿足衰減要求的前提下選用最小電感值，采用低DCR元件并在必要時(shí)添加主動(dòng)阻尼，檢查諧振峰值和啟動(dòng)過(guò)沖，考慮電容降額和ESR變化，最后通過(guò)頻域和時(shí)域仿真驗(yàn)證最終設(shè)計(jì)，再使用LISN進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)。

作者簡(jiǎn)介

Rani Feldman于2017年加入ADI公司，擔(dān)任資深現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。此前，他曾在凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作了三年。Rani擁有以色列阿夫卡學(xué)院電子工程學(xué)士學(xué)位和以色列霍隆理工學(xué)院工商管理碩士學(xué)位。