1、輸入濾波器的設(shè)計(jì)

▼一般來說，會(huì)使用如下圖1.1 所示的 π型輸入濾波器，對(duì)輸入電流進(jìn)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。

圖1.1 π型輸入濾波器

第1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(shí)，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。

▼下圖所示的是封裝大小為 EIA1206 的 4.7μF/MLCC阻抗曲線和 ESR曲線。

圖1.2 4.7μF/MLCC的ESR特性

MLCC 的阻抗特性是在自身諧振頻率SRF 處，ESR 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(shí)，推薦使用 EIA0805封裝大小的 4.7μF/MLCC 作為旁路濾波電容。

第2步：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 40dB/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(jìn)行最優(yōu)化設(shè)置。截止頻率fCf 的計(jì)算公式如式(1)所示。

例如選擇自身諧振頻率大約是 30MHz 的電感，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)一般選擇最大感量小于 10μH 的濾波電感。60～400KHz 低開關(guān)頻率范圍，適合使用金屬?gòu)?fù)合型電感。對(duì) 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(shí)際電流超過濾波電感的額定電流時(shí)，可能會(huì)對(duì)電感線圈造成損害。為了不對(duì) 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(DCR) 較小的電感。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的有效輸入電流Iin 的計(jì)算公式：Iin*Vin*η = Vout*Iout，即如下式(2)。

濾波電感的額定電流必須大于輸入電流。濾波電容CF2 可以由公式(3) 進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)成本和用途，濾波電容CF2 既可以選擇使用 MLCC 也可以選擇使用電解電容。此處電解電容具有 ESR 較大的優(yōu)點(diǎn)，適合用來衰減電源線的暫態(tài)電壓。

▼MLCC 比電解電容便宜，但是其靜電容量會(huì)隨著電壓升高而減小。例如：下圖1.3 是 150nF、額定 50V、X7R MLCC 的電壓偏置特性。

圖1.3 150nF、額定 50V、X7R MLCC的電壓偏置特性

關(guān)于 MLCC 的電壓偏置特性，需要保證所選用的 MLCC 在實(shí)際施加的電壓條件下有必要的靜電容量。一般選型時(shí)要求電容器的額定電壓大于電容器上實(shí)際所產(chǎn)生最高電壓的 2倍。

2、濾波器阻尼

輸入濾波器會(huì)對(duì) DC/DC轉(zhuǎn)換器的傳遞函數(shù)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致環(huán)路增益產(chǎn)生變化，這對(duì)于 DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路穩(wěn)定性來說是非常重要的因素。也就是說，在特定的條件下，當(dāng)追加輸入濾波器后，控制環(huán)路有可能會(huì)變得不穩(wěn)定。▼如下圖2.1 所示，需要考慮輸入濾波器的 Q值和輸出阻抗。

圖2.1 輸入濾波器和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的阻抗

輸入濾波器的輸出阻抗ZOutF 和 DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗ZInCon 會(huì)發(fā)生相互干涉，因此 LC輸入濾波器會(huì)對(duì) DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路產(chǎn)生影響。

LC濾波器有可能造成相位余量減小，暫態(tài)響應(yīng)特性下降。 如果輸入濾波器的 Q值過大，當(dāng) DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入端的輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，可能產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，控制環(huán)路可能會(huì)變得不穩(wěn)定。

▼Q值的定義如公式(4)所示。

▼此處所適用的穩(wěn)定性原則，是輸入濾波器的輸出阻抗ZoutF 必須小于 DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入Zin 的輸入阻抗。如公式(5)的說明。

▼此外，輸入濾波器的截止頻率f0F 必須小于 DC/DC轉(zhuǎn)換器的過零頻率fCOCon。

▼如下圖2.2 所示，當(dāng)追加 RC網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以減小輸入濾波器的 Q值。

圖2.2 包含阻尼網(wǎng)絡(luò)的輸入濾波器

電阻R 的目的是使濾波器衰減，所串聯(lián)電容器的目的是阻斷輸入電壓的 DC 部分減小阻尼電阻上所產(chǎn)生的損耗。

▼公式(7)用來計(jì)算當(dāng)濾波器的 Q值 Qf = 1 時(shí)的阻尼電阻Rd。

▼RC網(wǎng)絡(luò)中電容器的容值Cd 可以按照濾波器電容器Cf1 的靜電容量的 5倍～10倍進(jìn)行選擇。

考慮到成本和空間，可以在濾波器輸出端并聯(lián)電解電容作為濾波器來取代 RC網(wǎng)絡(luò)，同樣可以起到一定的衰減效果，但是需要注意的是電解電容的 ESR 不能提供合適的衰減效果。

3、輸入濾波器的位置

為了保證所期望的特性，需要將輸入濾波器盡量靠近 DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端進(jìn)行配置。當(dāng)由于基板條件制約，輸入濾波器被配置得較遠(yuǎn)時(shí)，電源走線可能在輸入濾波器和 DC/DC轉(zhuǎn)換器之間形成高頻天線。

該電源走線和外殼之間又通過寄生電容耦合，產(chǎn)生共模噪聲，有可能形成輻射噪聲。從另一個(gè)角度看，電源走線的寄生感量和如圖2.2 所示的陶瓷電容CF1 連動(dòng)形成 LC濾波器，這樣可以將紋波電壓降到一定的低值，但是不足以將傳導(dǎo)噪聲減小到所要求的限值以內(nèi)。

4、結(jié)論與參考

1）結(jié)論

輸入濾波器被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn) DC/DC轉(zhuǎn)換器的 EMC 最優(yōu)化設(shè)計(jì)，但是在設(shè)計(jì)時(shí)，需要注意不能使 DC/DC轉(zhuǎn)換器的控制環(huán)路穩(wěn)定性出現(xiàn)問題。當(dāng)追加 π型輸入濾波器時(shí)，可以減小 DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入紋波電壓，因此可以抑制傳導(dǎo)噪聲。為了避免發(fā)生不穩(wěn)定問題，輸入濾波器的輸出阻抗需要配合 DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)。 輸入濾波器的 Q值，可以通過使用 RC阻尼網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行降低。

2）參考

傳導(dǎo)EMI抑制-π型濾波器設(shè)計(jì)

天雨雖寬，不潤(rùn)無根之草。道法雖廣，不渡無緣之人。覺得不錯(cuò)，動(dòng)動(dòng)發(fā)財(cái)?shù)男∈贮c(diǎn)個(gè)贊哦！

專欄文章內(nèi)容及配圖由作者撰寫發(fā)布，僅供工程師學(xué)習(xí)之用，如有侵權(quán)或者其他違規(guī)問題，請(qǐng)聯(lián)系本站處理。 聯(lián)系我們