電源提示：設(shè)計(jì)兩級(jí) LC 濾波器

許多應(yīng)用需要低噪聲電源，包括激光二極管驅(qū)動(dòng)器和光學(xué)模塊。即使使用低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 陶瓷輸出電容器，使用傳統(tǒng)的單級(jí)電感電容 (LC) 濾波器來為此類負(fù)載供電通常也是不切實(shí)際的。

LC濾波器也稱為無源濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置。LC濾波器之所以稱為無源濾波器，顧名思義，就是該裝置不需要額外提供電源。LC濾波器一般是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成，與諧波源并聯(lián)，除起濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?LC濾波器按照功能分為L(zhǎng)C低通濾波器、LC帶通濾波器、高通濾波器、LC全通濾波器、LC帶阻濾波器;按調(diào)諧又分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器及三調(diào)諧濾波器等幾種。LC濾波器設(shè)計(jì)流程主要考慮其諧振頻率及電容器耐壓，電抗器耐流。

在電子線路中，電感線圈對(duì)交流有限流作用，由電感的感抗公式XL=2πfL可知，電感L越大，頻率f越高，感抗就越大。因此電感線圈有通低頻，阻高頻的作用，這就是電感的濾波原理下面是LC濾波電路實(shí)例電感在電路最常見的作用就是與電容一起，組成LC濾波電路。我們已經(jīng)知道，電容具有“阻直流，通交流”的本領(lǐng)，而電感則有“通直流，阻交流，通低頻，阻高頻”的功能。如果把伴有許多干擾信號(hào)的直流電通過LC濾波電路(如圖)，那么，交流干擾信號(hào)大部分將被電感阻止吸收變成磁感和熱能，剩下的大部分被電容旁路到地，這就可以抑制干擾信號(hào)的作用，在輸出端就獲得比較純凈的直流電流。

濾波電路的原理實(shí)際是L、c元件基本特性的組合利用。因?yàn)殡娙萜鞯娜菘箈c=2nfc又1會(huì)隨信號(hào)頻率升高而變小，而電感器的感抗xl=2f會(huì)隨信號(hào)頻率升高而增大，如果把電容、電感進(jìn)行串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)應(yīng)用，它們組合的阻抗也會(huì)隨信號(hào)頻率不同而發(fā)生很人變化口這表明，不同濾波電路會(huì)對(duì)某種頻率信號(hào)呈現(xiàn)很小或很大的電抗，以致能讓該頻率信號(hào)順利通過或阻礙它通過，從而起到選取某種頻率信號(hào)和濾除某種頻率信號(hào)的作用。

設(shè)計(jì)人員可能被迫使用兩級(jí) LC 濾波器，以實(shí)現(xiàn)低于 5mV 范圍內(nèi)的輸出紋波水平。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，兩級(jí)濾波器可以滿足非常嚴(yán)格的電源噪聲要求。在本例中，我們將介紹紋波規(guī)格 <1mV 的 5V 輸入 3.3V/5A 電源的設(shè)計(jì)。

為簡(jiǎn)單起見，讓我們從設(shè)計(jì)有一個(gè) 1μH 電感器和一個(gè) 22μF 6.3V X5R 陶瓷輸出電容器的單級(jí) 750kHz 開關(guān)開始。計(jì)算得到的輸出紋波為 39mV，主要是由于直流偏置的 7.2μF 電容受限。在開關(guān)頻率上需要 31dB 的衰減才能達(dá)到 1mV 的輸出紋波。

第一步是選擇一個(gè)大約是第一級(jí)電容 4 到 10 倍的第二級(jí)電容器。較小的電容會(huì)將二次諧振推離電源環(huán)路帶寬，而較大的電容會(huì)增加衰減，但可能會(huì)干擾控制環(huán)路。示例中的第二級(jí)電容使用了一個(gè) 100μF 6.3V X5R 陶瓷電容。通過選擇 150kHz 的第二個(gè)諧振，等式 1 可用于計(jì)算第二個(gè)電感器。

圖 1：原理圖和傳遞函數(shù)

圖 1 顯示了第二個(gè) LC 前后的原理圖和傳遞函數(shù)。有兩種共振：25kHz 和 150kHz。另請(qǐng)注意，在第二個(gè)濾波器之后測(cè)量的 750kHz 開關(guān)頻率處，衰減增加了 39dB。

為簡(jiǎn)單起見，第二步也是最后一步是使用電流模式控制來補(bǔ)償電源。模擬功率級(jí)增益和相位顯示輸出極點(diǎn)為 6.5kHz。我建議將電源降到足夠低，以防止第二次諧振回到零并保持大于 10dB 的增益裕度。在本例中，25kHz 帶寬就足夠了。圖 2 顯示了測(cè)量的環(huán)路響應(yīng)。

圖 2：5A 環(huán)路響應(yīng)時(shí)的 5Vin、3.3Vout

圖 3 顯示了第二級(jí)之后的紋波——遠(yuǎn)低于 1mV。

圖 3：第二級(jí)輸出紋波

兩級(jí)濾波器是降低降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波的常用方法。仔細(xì)的設(shè)計(jì)考慮將產(chǎn)生低噪聲、穩(wěn)定的電源。