電源提示 ：使用二段濾波器實(shí)現(xiàn)低噪聲電源

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(jià)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(gè)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。一些低噪聲應(yīng)用可能要求電源輸出紋波電壓低于輸出電壓的 0.1%。這些低紋波要求很容易轉(zhuǎn)化為明顯大于 60 dB 的濾波器衰減，而單級(jí)實(shí)際上無法滿足。

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。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應(yīng)用中，上游電源樹的某個(gè)地方也有可能存在開關(guān)電路。因此，有必要設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級(jí)濾波器，來消除開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。

在本例中，我們考慮一個(gè) 570 kHz 降壓穩(wěn)壓器，其輸入電壓為 12 V，輸出電壓為 3 V/5 A，最大輸出紋波要求為 100 uVpp (40 dBuVpp)。開關(guān)節(jié)點(diǎn)處的基本開關(guān)頻率幅度約為 5 Vpp (135 dB uVpp)，這轉(zhuǎn)換為所需的 95 dB 衰減。由于無源器件的寄生元件，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單級(jí)濾波器應(yīng)嘗試的 60 dB。一旦決定使用兩段式濾波器(圖 1)，就需要選擇分?jǐn)囝l率和元件。

在這種設(shè)計(jì)方法中，首先從紋波電流分配中選擇輸出電感器 (L1)，就像任何降壓穩(wěn)壓器一樣，并且選擇第一個(gè)濾波電容器 (C1) 以提供 60 dB 的衰減。第二級(jí)將受到重度阻尼，并將提供適度的 35 dB 衰減。此外，第一級(jí) (C1) 與第二級(jí)電容 (C2) 的比率將設(shè)置為 1:10。這完成了許多事情：

1. 拆分兩個(gè)濾波器共振

2. 使第二級(jí)的特性阻抗低，使阻尼更容易

3. 將大部分輸出電容器集中在第二級(jí)，減輕額外負(fù)載電容的影響并提供良好的瞬態(tài)性能

4. 最大限度地減少第二級(jí)諧振的峰值，以簡化環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

將第一級(jí)電感器中的峰峰值紋波電流設(shè)置為等于 1 安培(額定輸出的 20%)使得輸出電感器 (L1) 為 6.8 uH，其在開關(guān)頻率下的阻抗為 24 歐姆。對(duì)于提供 60 dB 衰減的第一級(jí)，電容器 (C1) 阻抗在開關(guān)頻率下需要約為 24 毫歐，轉(zhuǎn)換為大約 10 uF。建立的第一級(jí)電容與第二級(jí)電容的比率將第二級(jí)電容 (C2) 的基波阻抗設(shè)置為 100 uF 或 2.8 毫歐。選擇第二級(jí) (L2) 中的電感器以提供比所需的 35 dB 衰減多一點(diǎn)的衰減，因?yàn)榈诙?jí)受 RD 阻尼。對(duì)于 40 dB 的衰減，其阻抗需要為 240 毫歐，相當(dāng)于 68 nH 的電感。我使用 220 nH 來提供一些余量。最后，第二級(jí)濾波器應(yīng)該被阻尼。阻尼電阻器 (RD) 的起點(diǎn)設(shè)置其電阻等于開關(guān)頻率下的第二級(jí)電感器阻抗。

圖 1：這種兩段式濾波器提供 90 dB 的良好阻尼衰減

這是使用 P-SPICE 檢查組件值如何影響性能的好地方。P-SPICE 可用于模擬濾波器的時(shí)域紋波性能，控制環(huán)路的頻域特性。圖 2 提供了時(shí)域紋波仿真的示意圖。過濾器組件和負(fù)載很容易識(shí)別。兩個(gè)源(V1 和 V2)用于模擬降壓功率級(jí)。V2 在整個(gè)濾波器中設(shè)置 3 伏的初始條件，而 V1 模擬功率級(jí)的開關(guān)動(dòng)作。開關(guān)周期設(shè)置為 1.75 微秒，頻率約為 570 kHz，導(dǎo)通時(shí)間精確設(shè)置為 25%。

圖 2：原理圖用于模擬紋波性能。

圖 3 提供了模擬結(jié)果，類似于我們的第一次計(jì)算。通過在電容器中包含諸如 ESR 和 ESL 以及電感器中的分布電容等寄生組件，可以進(jìn)一步增強(qiáng)這種模擬。您會(huì)發(fā)現(xiàn)需要額外的過濾，尤其是當(dāng)您將 ESL 添加到 C2 時(shí)。

圖 3：模擬結(jié)果與手工計(jì)算的相關(guān)性很好。

這種模擬在某種程度上是開玩笑的，因?yàn)樗枰冻鼍薮蟮呐Σ拍軐⑶袚Q器的輸出噪聲實(shí)際控制到 100 uV 水平。濾波器組件中的寄生元件以及進(jìn)入濾波器第二部分的電容或電感耦合會(huì)顯著降低模擬衰減。第二部分以及負(fù)載也很可能需要屏蔽系統(tǒng)的其余部分。此外，還需要考慮提供最小 ESL 的饋通電容器。

總而言之，P-SPICE 可以為設(shè)計(jì)用于電源輸出的兩級(jí)濾波器提供一個(gè)很好的起點(diǎn)。在本文中，我們執(zhí)行了時(shí)域仿真來預(yù)測輸出紋波電壓。我們還提出了一種設(shè)計(jì)策略，以最大化第二級(jí)的電容并阻尼該級(jí)。在下個(gè)月的文章中，我們將了解該策略如何幫助提供較寬的電源帶寬，并將您的客戶可能添加到輸出的額外電容的影響降至最低。