通過設(shè)計合適的輸入濾波器減小DCDC轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲-第二部分

時間：2022-03-01 09:00:02

關(guān)鍵字：輸入濾波器 DCDC

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[導(dǎo)讀]現(xiàn)在就以DC/DC 轉(zhuǎn)換器為例，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電容器使用的是 MLCC。此時，雖然 MLCC 有較低的 ESR，輸入紋波電壓還是達到了 68mV。由于該紋波電壓的影響，產(chǎn)生了差模噪聲，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端產(chǎn)生了傳導(dǎo)噪聲。

1. 前言

現(xiàn)在就以DC/DC 轉(zhuǎn)換器為例，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電容器使用的是 MLCC。此時，雖然 MLCC 有較低的 ESR，輸入紋波電壓還是達到了 68mV。由于該紋波電壓的影響，產(chǎn)生了差模噪聲，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端產(chǎn)生了傳導(dǎo)噪聲。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)一定會有噪聲，雖然沒有一個專門的標(biāo)準(zhǔn)限制，但是整體上必須符合EMC的規(guī)定。板載DC/DC制造商在產(chǎn)品中至少包含一個并聯(lián)輸入電容，因此噪聲通常都在可以接受的范圍之內(nèi)。在應(yīng)用中如果需要更低標(biāo)準(zhǔn)的干擾電平，制造商通常會建議在外部添加一個L-C濾波器以降低DM噪聲。

2. 減小傳導(dǎo)噪聲

為了通過電磁兼容性（EMC）測試，減小 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲，需要使用輸入濾波器。圖 3 是具有上述輸入濾波器的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲被抑制的結(jié)果。

圖 3：使用輸入濾波器時 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲工作條件和上述一樣，沒有使用擴頻功能，DC/DC 轉(zhuǎn)換器工作在恒定 PWM 模式。平均噪聲（AV）和峰值噪聲（PK）的噪聲水平，在全頻段內(nèi)都有所降低，在允許限值范圍以內(nèi)。輸入濾波器的主要目的，是抑制從前段電源傳導(dǎo)過來的噪聲和浪涌，以及減少開關(guān)頻率及其高次諧波頻率所產(chǎn)生的干擾信號，防止對與該電源相連接的其他器件產(chǎn)生不良影響。一般來說，會使用如圖 4 所示的π型輸入濾波器，對輸入電流進行濾波。這樣可以減小 AC 電壓紋波的振幅，將傳導(dǎo)噪聲抑制到可接受的較低的水平。

3. 輸入濾波器的設(shè)計

輸入濾波器設(shè)計的第一步，是將用于減小 AC 振幅的電容器連接到 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的輸入端。此電容器的作用是高通濾波器旁路電容。后續(xù)稱該電容為 CF1。此時，該輸入電容器可以選擇使用 MLCC。 MLCC 的 ESR 非常小可以忽略，因此高頻電壓可以通過低阻抗接地而很快被短路泄放掉。 AC 紋波的頻率相同。旁路濾波電容的容值，需要選擇為使得電容器自身諧振頻率和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 的開關(guān)頻率相近。

該濾波器可減少由變壓器傳輸功率時引起的脈沖輸出紋波。輸出電容需要吸收每個開關(guān)周期產(chǎn)生的脈沖電流。在功率傳輸周期的間隙時間，輸出電容必須給負載提供能量。輸出電容上的電壓隨著每個開關(guān)周期上升和下降，因而具有鋸齒波形狀的圖表特征。

MLCC 的阻抗特性是在自身諧振頻率（SRF）處，ESR 為最小。為了將 AC 噪聲通過低阻抗接地，需要選擇低 ESR 的 MLCC。當(dāng)使用開關(guān)頻率工作在 2.2MHz 的 BD9Pxx5xx 等 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 時，如圖所示，推薦使用 EIA0805 封裝大小的 4.7 μF MLCC

作為旁路濾波電容。

之后，再配置濾波電感（后續(xù)稱作 LF）和濾波電容 CF2，就可以形成 LC 濾波器。LC 濾波器輸入端的噪聲經(jīng)過 LC 濾波器后在其輸出端，可以得到 40 dB /decade 的削減。

為了減小 DC/DC 轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的噪聲，需要將 LC 濾波器的截止頻率按照開關(guān)頻率的 1/10 進行最優(yōu)化設(shè)置。截止頻率 fCf 的計算公式如式（1）所示。

濾波電感通常是輸入濾波器中最貴的元件。為了降低 BOM成本，可以選擇 10uH 等低感量的電感。為了通過使用濾波電感來實現(xiàn) 較高的噪聲衰減能力，推薦濾波電感的感量小于濾波電容的靜電容量。感量越大，SRF 越小。例如選擇自身諧振頻率大約是 30 MHz 的

電感，實際設(shè)計時一般選擇最大感量小于 10μH 的濾波電感。 60?400 KHz 的低開關(guān)頻率范圍，適合使用金屬復(fù)合型電感。對于 1MHz 以上的較高開關(guān)頻率，推薦使用鐵氧體型電感。當(dāng)實際電流超過濾波電感的額定電流時，可能會對電感線圈造成損害。為了不對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率產(chǎn)生影響，推薦使用等效串聯(lián)電阻(RDC)較小的電感。