開關電源幾乎用于所有電子設備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價值。但是，它們最大的缺點就是高開關瞬態導致高輸出噪聲。這個缺點使它們無法用于以線性穩壓器供電為主的高性能模擬電路中。實踐證明，在很多應用中，經過適當濾波的開關轉換器可以代替線性穩壓器從而產生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應用中，上游電源樹的某個地方也有可能存在開關電路。因此，有必要設計經過優化和阻尼處理的多級濾波器，來消除開關電源轉換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設計如何影響開關電源轉換器的補償也很重要。 本文示例電路將采用升壓轉換器，但結果可以直接應用于任意DC-DC轉換器。圖1所示為升壓轉換器在恒定電流模式(CCM)下的基本波形。 圖1. 升壓轉換器的基本電壓和電流波形 輸出濾波器對升壓拓撲或其它任何帶有斷續電流模式的拓撲之所以重要，是因為它在開關B內電流具有快速上升和下降時間。這會導致激勵開關、布局和輸出電容中的寄生電感。其結果是，在實際使用中，輸出波形看上去更像圖2而非圖1，哪怕布局布線良好并且使用陶瓷輸出電容。 圖2. DCM中升壓轉換器的典型測量波形 由于電容電荷的變化而導致的開關紋波(開關頻率)相比輸出開關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。 還有很多各類濾波器適合對此輸出濾波。本文將解釋每一種濾波器，并給出設計的每一個步驟。文中的公式并不嚴謹，且做了一些合理的假設，以便一定程度上簡化這些公式。仍然需要進行一些迭代，因為每一個元件都會影響其它元件的數值。ADIsimPower設計工具利用元件值(比如成本或尺寸)的線性化公式在實際選擇元件前進行優化，然后從成千上萬器件的數據庫中選出實際元件后對其輸出進行優化，從而避免了這個問題。但在剛開始進行設計時，這種程度的復雜性是沒有必要的。通過提供的計算公式，使用SIMPLIS仿真器——比如免費的ADIsimPE?——或者在實驗室工作臺上花費一些時間，就能以最少的精力得到滿意的設計。 開始設計濾波器前，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，并將開關噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉換器噪聲較低，因為電源電感提供了很好的濾波能力。這些限制是因為，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，開關電源的基準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。 在更詳細地介紹各類濾波器的設計步驟前，部分在設計步驟中使用的各類濾波器的數值定義如下： ΔIPP: 進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。數值取決于拓撲。對于降壓轉換器而言，它是電感中的峰峰值電流。對于升壓轉換器而言，它是開關B(通常是一個二極管)中的峰值電流。 ΔVRIPOUT?: 轉換器開關頻率處的輸出電壓紋波近似值。 RESR: 所選輸出電容的ESR。 FSW?: 轉換器開關頻率。 CRIP: 輸出電容的計算中，假定所有ΔIPP?流入其中。 ΔVTRANOUT: ISTEP施加于輸出時，VOUT?的變化。 ISTEP:輸出負載的瞬時變化。