如今，開關(guān)電源幾乎無處不在，并用于每個(gè)電子設(shè)備。它們因其體積小、成本低和效率而受到重視。然而，它們的主要缺點(diǎn)是，由于高開關(guān)瞬變，它們的輸出可能會(huì)產(chǎn)生噪聲。這使它們遠(yuǎn)離線性穩(wěn)壓器統(tǒng)治的高性能模擬電路。已經(jīng)表明，在許多應(yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)濾波的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以取代線性穩(wěn)壓器，以產(chǎn)生低噪聲電源。即使在那些需要極低噪聲電源的苛刻應(yīng)用中，電源樹上游的某個(gè)地方也可能有一個(gè)開關(guān)電路。因此，需要能夠設(shè)計(jì)優(yōu)化的阻尼多級濾波器來清理開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出。此外，重要的是要認(rèn)識到濾波器設(shè)計(jì)將如何影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償。

在本文中，升壓電路將用于示例電路，但結(jié)果將直接適用于任何DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖1所示是恒流模式（CCM）下升壓轉(zhuǎn)換器的基本波形。

圖1.升壓轉(zhuǎn)換器的基本電壓和電流波形。

使輸出濾波器對于升壓或任何其他具有不連續(xù)電流模式的拓?fù)淙绱酥匾膯栴}是開關(guān)B中電流時(shí)間的快速上升和下降。這往往會(huì)激發(fā)開關(guān)、布局和輸出電容中的寄生電感。結(jié)果是，在現(xiàn)實(shí)世界中，即使使用良好的布局和陶瓷輸出電容，輸出波形看起來更像圖2而不是圖1。

圖2.DCM 中升壓轉(zhuǎn)換器的典型測量波形。

與輸出開關(guān)的無阻尼振鈴相比，由電容器電荷變化引起的開關(guān)紋波（在開關(guān)頻率處）非常小，我們將其稱為輸出噪聲。通常，該輸出噪聲在10 MHz至100+ MHz范圍內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過大多數(shù)陶瓷輸出電容器的自諧振頻率。因此，增加額外的電容對衰減噪聲幾乎沒有作用。

不同類型的過濾器有幾個(gè)合理的選擇來過濾此輸出。本文將說明每種類型的濾波器，并給出設(shè)計(jì)的分步過程。方程并不嚴(yán)格，并做出了一些合理的假設(shè)來簡化它們。仍然需要一些迭代，因?yàn)槊總€(gè)組件都會(huì)影響其他組件的值。ADIsimPower設(shè)計(jì)工具通過使用元件值（如成本或尺寸）的線性化方程來解決這個(gè)問題，在選擇實(shí)際元件之前進(jìn)行優(yōu)化，然后在從數(shù)千個(gè)器件的數(shù)據(jù)庫中選擇實(shí)際元件后優(yōu)化輸出。但是，對于設(shè)計(jì)的第一遍，這種復(fù)雜程度是不必要的。通過提供的計(jì)算，并可能使用SIMPLIS仿真器，如免費(fèi)的ADIsimPE?，或者在實(shí)驗(yàn)室里工作一段時(shí)間，可以用最少的努力找到令人滿意的設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)濾波器之前，請考慮使用單級濾波器RC或LC濾波器可以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。通常，使用第二級濾波器時(shí)，將紋波降至幾百μV p-p，將開關(guān)噪聲降至1 mV p-p以下是合理的。降壓轉(zhuǎn)換器可以做得更安靜一些，因?yàn)?a target="_blank">功率電感提供了顯著的濾波。這些限制是因?yàn)橐坏┘y波下降到μV，元件寄生效應(yīng)和濾波器級之間的噪聲耦合開始成為限制因素。如果需要更安靜的電源，則可以添加第三級濾波器。然而，開關(guān)電源通常沒有最安靜的基準(zhǔn)電壓源，并且還受到抖動(dòng)噪聲的影響。這都會(huì)導(dǎo)致低頻噪聲（1 Hz至100 kHz），無法輕易濾除。因此，對于噪聲極低的電源，最好使用單個(gè)二級濾波器，然后在輸出端增加一個(gè)LDO。

在深入探討每種類型的濾波器的更詳細(xì)的設(shè)計(jì)過程之前，將在每種類型的濾波器的設(shè)計(jì)過程中使用的一些值定義如下：

ΔIPP：進(jìn)入輸出濾波器的近似峰峰值電流。對于計(jì)算，我們假設(shè)這是正弦的。該值將取決于拓?fù)洹τ诮祲恨D(zhuǎn)換器，它是電感中的峰峰值電流。對于升壓轉(zhuǎn)換器，它是開關(guān)B（通常是二極管）中的峰值電流。

ΔVRIPOUT：轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率處的近似輸出電壓紋波。

RESR：所選輸出電容的ESR。

FSW：轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率。

CRIP：假設(shè)所有ΔIPP撕裂流入其中計(jì)算的輸出電容。

ΔVTRANOUT：ISTEP應(yīng)用于輸出時(shí)VOUT的變化。

ISTEP：輸出負(fù)載的瞬時(shí)變化。

TSTEP：轉(zhuǎn)換器對輸出負(fù)載瞬時(shí)變化的大致響應(yīng)時(shí)間。

Fu：轉(zhuǎn)換器的交越頻率。對于降壓，它通常是 FSW ?10。對于升壓或降壓升壓型轉(zhuǎn)換器，它通常約為右半平面零點(diǎn)（RHPZ）位置的三分之一。

最簡單的濾波器類型只是一個(gè)RC濾波器，如圖161所示，連接到基于ADP3x的低電流升壓設(shè)計(jì)的輸出端。該濾波器具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，不需要阻尼。但是，由于功耗大，它僅適用于非常低輸出電流轉(zhuǎn)換器。本文假設(shè)陶瓷電容器具有小ESR。

圖3.ADP161x低輸出電流升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，輸出端增加RC濾波器。

RC第二級輸出濾波器的設(shè)計(jì)過程

第 1 步：選擇 C1基于假設(shè)值輸出紋波在 C 處1大約忽略過濾器的其余部分;5 mV 峰峰值至 20 mV 峰峰值是一個(gè)很好的起點(diǎn)。C1然后可以使用公式1計(jì)算。

步驟2：可以根據(jù)功耗選擇R。R 必須比 R 大得多紅沉降率使電容器和該濾波器有效。這將輸出電流范圍限制在小于50 mA左右。

第 3 步：C2然后可以從公式2到公式6計(jì)算。A、a、b 和 c 只是簡化計(jì)算的中間值，沒有物理意義。這些方程假設(shè) R << R負(fù)荷每個(gè)電容器的ESR都很小。這些都是非常好的假設(shè)，并且?guī)缀鯖]有引入錯(cuò)誤。C2應(yīng)等于或大于 C1.可以調(diào)整步驟1中的紋波以使其成為可能。

對于更高電流的電源，最好用電感代替pi濾波器中的電阻，如圖4所示。除了低功耗外，這種配置還具有非常好的紋波和開關(guān)噪聲抑制能力。問題是我們現(xiàn)在引入了一個(gè)可以共振的附加油箱電路。這可能導(dǎo)致振蕩和不穩(wěn)定的電源。因此，設(shè)計(jì)此濾波器的第一步是選擇如何阻尼濾波器。圖4顯示了三種可行的阻尼技術(shù)。添加 R濾楓具有增加很少額外費(fèi)用或大小的優(yōu)點(diǎn)。阻尼電阻通常幾乎沒有損耗，對于大電源來說也可以很小。缺點(diǎn)是，通過降低與電感的并聯(lián)阻抗，它大大降低了濾波器的有效性。技術(shù) 2 具有最大化過濾器性能的優(yōu)點(diǎn)。如果需要全陶瓷設(shè)計(jì)，RD可以是與陶瓷電容器串聯(lián)的分立電阻器。否則，需要一個(gè)具有高ESR的物理大電容器。此附加電容 （CD） 可能會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)的成本和尺寸。阻尼技術(shù) 3 看起來非常有利，因?yàn)樽枘犭娙萜?CE添加到輸出中，可能會(huì)對瞬態(tài)響應(yīng)和輸出紋波有所幫助。然而，這是最昂貴的技術(shù)，因?yàn)樗璧碾娙萘恳蟮枚唷４送猓敵龆讼鄬^大的電容會(huì)降低濾波器諧振的頻率，從而降低轉(zhuǎn)換器的可實(shí)現(xiàn)帶寬，因此不建議使用技術(shù)3。對于ADIsimPower設(shè)計(jì)工具，我們使用技術(shù)1，因?yàn)樗杀镜停以谧詣?dòng)化設(shè)計(jì)過程中相對容易實(shí)現(xiàn)。

圖4.ADP1621帶有輸出濾波器，突出顯示了幾種不同的阻尼技術(shù)。

另一個(gè)需要處理的問題是賠償。這可能違反直覺，但將過濾器放在反饋回路中幾乎總是更好的。這是因?yàn)閷⑵渲糜诜答伃h(huán)路中有助于在一定程度上抑制濾波器，消除直流負(fù)載偏移和濾波器的串聯(lián)電阻，并以更少的振鈴提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)。圖5顯示了升壓轉(zhuǎn)換器的波特圖，在輸出端增加了LC濾波器輸出。

圖5.輸出端帶有LC濾波器的升壓轉(zhuǎn)換器的相位和增益圖。

反饋在濾波電感器之前或之后進(jìn)行。最令人驚訝的是，即使濾波器不在反饋回路中，開環(huán)波特圖也會(huì)發(fā)生多大變化。由于控制環(huán)路在反饋環(huán)路中有或沒有濾波器時(shí)都會(huì)受到影響，因此不妨對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。通常，這意味著將目標(biāo)交越頻率縮減到濾波器諧振頻率的五分之一到十分之一（FRES).

這種類型的濾波器的設(shè)計(jì)過程本質(zhì)上是迭代的，因?yàn)槊總€(gè)組件的選擇都會(huì)驅(qū)動(dòng)其他組件的選擇。

使用并聯(lián)電阻阻尼的LC濾波器的設(shè)計(jì)過程（圖1中的技術(shù)4）

第 1 步：選擇 C1好像輸出上不會(huì)有輸出濾波器。5 mV至20 mV p-p是一個(gè)很好的起點(diǎn)。C1然后可以使用公式8計(jì)算。

第 2 步：選擇電感器 L濾楓.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一個(gè)好的值在 0.5 μF 到 2.2 μF 之間。電感應(yīng)選擇高自諧振頻率（SRF）。電感器越大的SRF越大，這意味著它們對高頻噪聲濾波的效果較差。較小的電感不會(huì)對紋波產(chǎn)生太大影響，并且需要更多的電容。開關(guān)頻率越高，電感越小。當(dāng)比較具有相同電感的兩個(gè)電感時(shí)，SRF較高的部分將具有較低的繞組間電容。繞組間電容的作用類似于濾波器周圍的短路，產(chǎn)生高頻噪聲。

第3步：如前所述，添加濾波器將通過降低可實(shí)現(xiàn)的交越頻率（Fu).對于電流模式轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)的最大Fu是開關(guān)頻率的 1/10 或 F 的 1/5 中的較小者RES濾波器的計(jì)算公式7。幸運(yùn)的是，大多數(shù)模擬負(fù)載不需要極高的瞬態(tài)響應(yīng)。公式9計(jì)算近似輸出電容（CBW），以提供指定的瞬態(tài)電流階躍。

第 4 步：設(shè)置 C2作為 C 的最小值BW和 C1.

步驟5：使用公式10和公式11計(jì)算近似阻尼濾波電阻。這些方程不是絕對準(zhǔn)確的，但它們是最接近閉式解的東西，不需要使用廣泛的代數(shù)。ADIsimPower設(shè)計(jì)工具計(jì)算R濾楓通過計(jì)算轉(zhuǎn)換器在濾波器和電感短路的情況下的開環(huán)傳遞函數(shù)（OLTF）。R濾楓然后猜測值，直到帶濾波器的轉(zhuǎn)換器OLTF峰值僅比電感短路時(shí)轉(zhuǎn)換器的OLTF高10 dB。該技術(shù)可用于ADIsimPE等模擬器，也可在實(shí)驗(yàn)室中使用頻譜分析儀。

第 6 步：C2現(xiàn)在可以使用公式12至公式15進(jìn)行計(jì)算。a、b、c和d用于簡化公式16。

步驟7：應(yīng)重復(fù)步驟3至步驟5，直到計(jì)算出滿足所需紋波和瞬態(tài)規(guī)格的良好阻尼濾波器設(shè)計(jì)。應(yīng)該注意的是，這些公式忽略了濾波電感R的直流串聯(lián)電阻.DCR.對于較低電流電源，該電阻可能相當(dāng)大。它通過幫助阻尼濾波器來提高濾波器性能，從而增加所需的R濾楓并增加濾波器的阻抗。這兩種效果都可以顯著提高濾波器的性能。因此，對于低噪聲要求來說，在L中權(quán)衡少量功率損耗是非常有幫助的。濾楓用于改善噪聲性能。磁芯損耗（L）濾楓還有助于衰減一些高頻噪聲。因此，大電流粉末鐵芯可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。對于相同的電流能力，它們也往往更小、更便宜。當(dāng)然，ADIsimPower不僅考慮了濾波器電感的電阻，還考慮了兩個(gè)電容的ESR，以實(shí)現(xiàn)最大精度。

步驟8：選擇與計(jì)算值匹配的實(shí)際元件時(shí)，請記住降低任何陶瓷電容器的電容，以考慮直流偏置！

如前所述，圖4給出了兩種可行的濾波器阻尼技術(shù)。如果不是選擇并聯(lián)電阻，而是選擇電容器CD可以選擇來阻尼過濾器。這將增加一些成本，但它提供了任何技術(shù)中最佳的過濾器性能。

使用RC阻尼網(wǎng)絡(luò)的LC濾波器設(shè)計(jì)過程（圖2中的技術(shù)4）

步驟 1：與前面的拓?fù)湟粯樱x擇 C1好像不會(huì)有輸出濾波器。10 mV 峰峰值至100 mV 峰峰值是一個(gè)很好的起點(diǎn)，具體取決于最終目標(biāo)輸出紋波。C1然后可以使用公式8進(jìn)行計(jì)算。C1在此拓?fù)渲锌梢员纫郧暗耐負(fù)湫。驗(yàn)楹Y選器更有效。

步驟2：與前面的拓?fù)湟粯樱x擇0.5 μH至2.2 μH之間的電感。對于 1 kHz 和 500 kHz 之間的轉(zhuǎn)換器來說，1200 μH 是一個(gè)不錯(cuò)的值。

第 3 步：和以前一樣，C2可以從公式 16 中選擇，但使用 R濾楓設(shè)置為大于 1 MΩ，因?yàn)樗粫?huì)被填充。盡管 C 是相同的值的原因1有一個(gè)額外的電容器是為了提供良好的阻尼，RD將做得足夠大，以至于 CD不會(huì)顯著降低紋波。集合 C2作為計(jì)算的 C 的最小值2值，CBW和 C1.此時(shí)返回步驟 1 并調(diào)整 C 上假設(shè)的紋波可能很有用1獲取計(jì)算出的 C2更接近CBW和 C1.

第 4 步：CD應(yīng)設(shè)置為與 C 相同的值1.理論上，您可以使用更大的電容實(shí)現(xiàn)濾波器的更大阻尼，但它不必要地增加了成本和尺寸，并且會(huì)降低轉(zhuǎn)換器帶寬。

第 5 步：RD可由公式17計(jì)算。FRES使用公式 7 計(jì)算，忽略 C 的存在D.這是一個(gè)很好的近似值，因?yàn)?Rd 通常足夠大，以至于 CD對濾波器諧振的位置影響不大。

第 6 步：現(xiàn)在兩個(gè) CD和 RD已經(jīng)計(jì)算出，可以使用具有串聯(lián)電阻的陶瓷電容器，或者應(yīng)選擇符合計(jì)算規(guī)格的具有大ESR的鉭或類似電容器。

步驟7：選擇與計(jì)算值匹配的實(shí)際元件時(shí)，請記住降低任何陶瓷電容器的電容，以考慮直流偏置！

另一種濾波技術(shù)是用鐵氧體磁珠代替先前濾波器中的L。然而，這種布置有許多缺點(diǎn)，限制了其濾除開關(guān)噪聲的有效性，并且對開關(guān)紋波幾乎沒有任何作用。首先是飽和度。鐵氧體磁珠將在非常低的偏置電流水平下飽和，這意味著鐵氧體的阻抗將比所有數(shù)據(jù)手冊中顯示的零偏置曲線低得多。它可能仍然需要阻尼，因?yàn)樗匀皇且粋€(gè)電感器，因此可以與輸出電容諧振。然而，現(xiàn)在電感是可變的，并且在大多數(shù)數(shù)據(jù)手冊中提供的極少數(shù)據(jù)中表征不佳。因此，不建議將鐵氧體磁珠用作二級濾波器，但可以在第二級濾波器的下游使用，以進(jìn)一步降低非常高的頻率噪聲。

結(jié)論

本文列出了幾種用于開關(guān)電源的輸出濾波器技術(shù)。對于每種拓?fù)洌荚O(shè)計(jì)了一個(gè)分步設(shè)計(jì)過程，以減少濾波器設(shè)計(jì)所需的猜測和檢查量。這些方程經(jīng)過了一些簡化，因此對于希望通過了解第二級輸出濾波器可實(shí)現(xiàn)的功能來進(jìn)行快速設(shè)計(jì)的工程師來說，它們非常有用。

審核編輯：郭婷