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利用濾波器防止開關(guān)電源噪聲

來源：東莞市成良智能科技發(fā)布時間：2019-07-31 點(diǎn)擊量：1323

開關(guān)電源幾乎用于所有電子設(shè)備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價值。但是，它們最大的缺點(diǎn)就是高開關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致高輸出噪聲。這個缺點(diǎn)使它們無法用于以線性穩(wěn)壓器供電為主的高性能模擬電路中。實(shí)踐證明，在很多應(yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)濾波的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以代替線性穩(wěn)壓器從而產(chǎn)生低噪聲電源。因此，有必要設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級濾波器，來消除開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設(shè)計如何影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償也很重要。
開關(guān)電源的輸出濾波器對升壓拓?fù)浠蚱渌魏螏в袛嗬m(xù)電流模式的拓?fù)渲灾匾?，是因?yàn)樗陂_關(guān)B內(nèi)電流具有快速上升和下降時間。這會導(dǎo)致激勵開關(guān)、布局和輸出電容中的寄生電感。

由于開關(guān)電源的電容電荷的變化而導(dǎo)致的開關(guān)紋波（開關(guān)頻率）相比輸出開關(guān)的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠(yuǎn)超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對噪聲衰減的作用不大。

開始設(shè)計濾波器前，考慮一下單級濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內(nèi)，并將開關(guān)噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉(zhuǎn)換器噪聲較低，因?yàn)殚_關(guān)電源電感提供了很好的濾波能力。這些限制是因?yàn)?，一旦紋波降低至μV級別，元件寄生和濾波器級之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級濾波器。然而，開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓源一般不是噪聲最低的元件，并
且常常受到抖動噪聲的影響。這些都導(dǎo)致了低頻噪聲（1 Hz至100 kHz），通常不易濾除。因此，對于極低噪聲開關(guān)電源而言，使用單個二級濾波器然后在輸出端添加一個LDO可能更合適。

在更詳細(xì)地介紹各類濾波器的設(shè)計步驟前，部分開關(guān)電源在設(shè)計步驟中使用的各類濾波器的數(shù)值定義如下：
進(jìn)入輸出濾波器的峰峰值電流近似值。為方便計算，假定是正弦信號。數(shù)值取決于拓?fù)洹τ诮祲恨D(zhuǎn)換器而言，它是電感中的峰峰值電流。對于升壓轉(zhuǎn)換器而言，它是開關(guān)B（通常是一個二極管）中的峰值電流。轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率處的輸出電壓紋波近似值。
所選輸出電容的ESR。
轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。
輸出電容的計算中，假定所有ΔIPP 流入其中。
ISTEP施加于輸出時，VOUT的變化。
輸出負(fù)載的瞬時變化。
轉(zhuǎn)換器對于輸出負(fù)載瞬時變化的近似響應(yīng)時間。
轉(zhuǎn)換器的交越頻率。對于降壓轉(zhuǎn)換器而言，其值通常為FSW?10。對于升壓或降壓/升壓轉(zhuǎn)換器而言，它通常位于右半平面零點(diǎn)（RHPZ）約1/3位置處。

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