有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器分析

在電路板設(shè)計(jì)中，噪聲問題是每位設(shè)計(jì)師都會(huì)遇到的一大問題。為了解決噪聲問題，一般需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)時(shí)間來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測試才能揪出真正的元兇。然而很多時(shí)候我們卻發(fā)現(xiàn)，噪聲問題是由開關(guān)電源的布局不當(dāng)而引起的。該怎么解決此類問題呢?

作為例子的開關(guān)調(diào)節(jié)器布局采用雙通道同步開關(guān)控制器 ADP1850，第一步是確定調(diào)節(jié)器的電流路徑。然后，進(jìn)行物理規(guī)劃和電源器件的考慮。此外，我們需要了解一點(diǎn)：電流路徑?jīng)Q定了器件在該低噪聲布局布線設(shè)計(jì)中的位置。

調(diào)節(jié)器的電流路徑

在開關(guān)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，高電流路徑和低電流路徑彼此非常靠近。交流(AC)路徑攜帶有尖峰和噪聲，高直流(DC)路徑會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的壓降，低電流路徑往往對噪聲很敏感。適當(dāng)PCB布局布線的關(guān)鍵在于確定關(guān)鍵路徑，然后安排器件，并提供足夠的銅面積以免高電流破壞低電流。性能不佳的表現(xiàn)是接地反彈和噪聲注入IC及系統(tǒng)的其余部分。

開關(guān)電源(包括AC/DC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊)與線性電源相比較，最突出的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率高，一般可達(dá)80%～85%，高的可達(dá)90%～97%;其次，開關(guān)電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器，不僅重量減輕，體積也減小了，因此應(yīng)用范圍越來越廣。但開關(guān)電源的缺點(diǎn)是由于其開關(guān)管工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，輸出的紋波和噪聲電壓較大，一般為輸出電壓的1%左右(低的為輸出電壓的0.5%左右)，最好產(chǎn)品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV;而線性電源的調(diào)整管工作于線性狀態(tài)，無紋波電壓，輸出的噪聲電壓也較小，其單位是μV。

本文簡單地介紹開關(guān)電源產(chǎn)生紋波和噪聲的原因和測量方法、測量裝置、測量標(biāo)準(zhǔn)及減小紋波和噪聲的措施。

一、紋波和噪聲產(chǎn)生的原因：

開關(guān)電源輸出的不是純正的直流電壓，里面有些交流成分，這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動(dòng)，與開關(guān)電源的開關(guān)動(dòng)作有關(guān)。每一個(gè)開、關(guān)過程，電能從輸入端被“泵到”輸出端，形成一個(gè)充電和放電的過程，從而造成輸出電壓的波動(dòng)，波動(dòng)頻率與開關(guān)的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值，其大小與開關(guān)電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質(zhì)有關(guān)。

噪聲的產(chǎn)生原因有兩種，一種是開關(guān)電源自身產(chǎn)生的;另一種是外界電磁場的干擾(EMI)，它能通過輻射進(jìn)入開關(guān)電源或者通過電源線輸入開關(guān)電源。開關(guān)電源自身產(chǎn)生的噪聲是一種高頻的脈沖串，由發(fā)生在開關(guān)導(dǎo)通與截止瞬間產(chǎn)生的尖脈沖所造成，也稱為開關(guān)噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關(guān)頻率高得多，噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關(guān)電源的拓?fù)?、電路中的寄生狀態(tài)及PCB的設(shè)計(jì)有關(guān)。

二、減小紋波和噪聲電壓的措施：

開關(guān)電源除開關(guān)噪聲外，在AC/DC轉(zhuǎn)換器中輸入的市電經(jīng)全波整流及電容濾波，電流波形為脈沖，如圖17所示(圖a是全波整流、濾波電路，b是電壓及電流波形)。電流波形中有高次諧波，它會(huì)增加噪聲輸出。良好的開關(guān)電源(AC/DC轉(zhuǎn)換器)在電路增加了功率因數(shù)校正(PFC)電路，使輸出電流近似正弦波，降低高次諧波，功率因數(shù)提高到0.95左右，減小了對電網(wǎng)的污染。

開關(guān)電源或模塊的輸出紋波和噪聲電壓的大小與其電源的拓?fù)洌鞑糠蛛娐返脑O(shè)計(jì)及PCB設(shè)計(jì)有關(guān)。例如，采用多相輸出結(jié)構(gòu)，可有效地降低紋波輸出。現(xiàn)在的開關(guān)電源的開關(guān)頻率越來越高;低的是幾十kHz，一般是幾百kHz，而高的可達(dá)1MHz以上。因此產(chǎn)生的紋波電壓及噪聲電壓的頻率都很高，要減小紋波和噪聲最簡單的辦法是在電源電路中加無源低通濾波器。

1、減少EMI的措施

可以采用金屬外殼做屏蔽減小外界電磁場輻射干擾。為減少從電源線輸入的電磁干擾，在電源輸入端加EMI濾波器，如圖3所示(EMI濾波器也稱為電源濾波器)。

2 、在輸出端采用高頻性能好、ESR低的電容

采用高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)的鋁或鉭電解電容作輸出電容是最佳的，其特點(diǎn)是尺寸小而電容量大，高頻下ESR阻抗低，允許紋波電流大。它最適用于高效率、低電壓、大電流降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器及DC/DC模塊電源作輸出電容。例如，一種高分子聚合物鉭固態(tài)電解電容為68μF，其在20℃、100kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻(ESR)最大值為25mΩ，最大的允許紋波電流(在100kHz時(shí))為2400mArms，其尺寸為：7.3mm(長)×4.3mm(寬)×1.8mm(高)，其型號(hào)為10TPE68M(貼片或封裝)。紋波電壓ΔVOUT為：

ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)

若ΔIOUT=0.5A，ESR=25mΩ，則ΔVOUT=12.5mV。

若采用普通的鋁電解電容作輸出電容，額定電壓10V、額定電容量100μF，在20℃、120Hz時(shí)的等效串聯(lián)電阻為5.0Ω，最大紋波電流為70mA。它只能工作于10kHz左右，無法在高頻(100kHz以上的頻率)下工作，再增加電容量也無效，因?yàn)槌^10kHz時(shí)，它已成電感特性了。

分享如何測量電容以及電容在SI/PI中的應(yīng)用

某些開關(guān)頻率在100kHz到幾百kHz之間的電源，采用多層陶電容(MLCC)或鉭電解電容作輸出電容的效果也不錯(cuò)，其價(jià)位要比高分子聚合物固態(tài)電解質(zhì)電容要低得多。

3 、采用與產(chǎn)品系統(tǒng)的頻率同步

為減小輸出噪聲，電源的開關(guān)頻率應(yīng)與系統(tǒng)中的頻率同步，即開關(guān)電源采用外同步輸入系統(tǒng)的頻率，使開關(guān)的頻率與系統(tǒng)的頻率相同(不知道原作者這一方式的原因，僅供參考)。

4、避免多個(gè)模塊電源之間相互干擾

在同一塊PCB上可能有多個(gè)模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠的很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。

例如，用兩個(gè)K7805-500開關(guān)型模塊組成±5V輸出電源時(shí)，若兩個(gè)模塊靠的很近，輸出電容C4、C2未采用低ESR電容，且焊接處離輸出端較遠(yuǎn)，則有可能輸出的紋波和噪聲電壓受到相互干擾而增加，如圖4所示。

如果在同一塊PCB上有能產(chǎn)生噪聲干擾的電路，則在設(shè)計(jì)PCB時(shí)要采取相似的措施以減少干擾電路對開關(guān)電源的相互干擾影響。

5 、增加LC濾波器

為減小模塊電源的紋波和噪聲，可以在DC/DC模塊的輸入和輸出端加LC濾波器，如圖5所示。圖5左圖是單輸出，圖21右圖是雙輸出。

在表1及表2中列出1W DC/DC模塊的VIN端和VOUT端在不同輸出電壓時(shí)的電容值。要注意的是，電容量不能過大而造起動(dòng)問題，LC的諧振頻率必須與開關(guān)頻率要錯(cuò)開以避免相互干擾，L采用μH極的，其直流電阻要低，以免影響輸出電壓精度。

有些小電流，負(fù)載相對比較恒定的場景，我們增加“RC濾波”。LC濾波要注意，避免諧振。

6 、增加LDO

在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對噪聲特別有要求的電路需要(見圖)，輸出噪聲可達(dá)μV級。

由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百mV，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

7、增加有源EMI濾波器及有源輸出紋波衰減器

有源EMI濾波器可在150kHz～30MHz間衰減共模和差模噪聲，并且對衰減低頻噪聲特別有效。在250kHz時(shí)，可衰減60dB共模噪聲及80dB差模噪聲，在滿載時(shí)效率可達(dá)99%。輸出紋波衰減器可在1～500kHz范圍內(nèi)減低電源輸出紋波和噪聲30dB以上，并且能改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)及減小輸出電容。