引言

開關(guān)穩(wěn)壓器因電源轉(zhuǎn)換效率高而被廣泛采用，但其開關(guān)動作也使其成為傳導噪聲源。在許多系統(tǒng)中，尤其是包含敏感模擬、射頻或通信電路的系統(tǒng)，必須在噪聲通過輸入電源總線傳播前加以控制。輸入濾波器通常是第一道防線，但不能將其簡單視為附加元件。輸入濾波器的諧振、阻尼、與轉(zhuǎn)換器的阻抗交互及啟動行為均會影響系統(tǒng)性能。

本文詳解了DC-DC轉(zhuǎn)換器差模(DM)輸入濾波器的實際設(shè)計方法。文中首先回顧了LC濾波器的基本特性，包括衰減斜率、電容等效串聯(lián)電阻(ESR)和諧振峰值。隨后展示了如何增加阻尼以提高穩(wěn)定性，分析了無阻尼濾波器如何導致啟動過壓或輸出振蕩，并說明了如何使用LTspice估算傳導發(fā)射衰減量及比較單級與兩級濾波器方案。

差模LC濾波器特性

LC濾波器屬于雙極點濾波器，其諧振頻率計算公式如下：

每個極點提供–20dB/dec的衰減，總衰減斜率為–40dB/dec。濾波電容的ESR會引入一個零點，為斜率貢獻+20dB/dec。零點頻率計算公式如下：

圖1展示了一個典型LC濾波器示例。L1和C2構(gòu)成濾波器，C1是V1的去耦電容，Cin代表DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電容。開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器因開關(guān)動作，會從輸入端抽取含有豐富諧波的脈動電流。濾波器必須在相關(guān)頻段內(nèi)衰減輸入電流，防止其回流至電源端并污染為其他敏感電子設(shè)備供電的總線電壓。隨著頻率升高，C2的電抗減小而L1的電抗增大，使電流諧波被旁路到地。

理想的濾波電感應(yīng)具有適中的電感值和較低的直流電阻(DCR)。過大的電感會減緩對負載瞬態(tài)的響應(yīng)；由于電感與輸入串聯(lián)，應(yīng)盡可能降低DCR以減小壓降和功耗。設(shè)計權(quán)衡在于：在保持相同f0的前提下，減小電感值需相應(yīng)增大電容值。電容ESR也會影響目標頻點的總衰減量。

圖1所示LTspice原理圖中，ESR在1mΩ和100mΩ兩個值之間步進變化。f0保持在33.4kHz不變，因為諧振頻率不由電容ESR決定，但ESR零點頻率fESR從7.23MHz (1mΩ)移至72.34kHz (100mΩ)。圖2展示了此電路的仿真結(jié)果。若DC-DC轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率為1MHz，兩種ESR下的衰減差值為22.7dB。ESR零點會將濾波器斜率從–40dB/dec降至–20dB/dec，從而限制可實現(xiàn)的高頻衰減量。

設(shè)計人員通常傾向于選用低DCR和低ESR元件，這在大多數(shù)情況下是正確的做法。然而，由于LC濾波器本質(zhì)上是一種諧振RLC網(wǎng)絡(luò)，極低的ESR可能在f0處產(chǎn)生顯著峰值。這意味著輸入濾波器的輸出阻抗會達到較高值，使設(shè)計更易出現(xiàn)不穩(wěn)定問題。根據(jù)Middlebrook準則，為避免不穩(wěn)定，輸入濾波器的輸出阻抗必須始終低于轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗。因此，必須對上述峰值進行阻尼處理。峰值幅度與品質(zhì)因數(shù)相關(guān)，計算公式如下：

若fESR ? f0，濾波器將呈現(xiàn)高Q值和顯著峰值，但仍保持–40dB/dec的斜率。若fESR ? f0，則Q ≈ 1，系統(tǒng)呈現(xiàn)阻尼響應(yīng)?？赏ㄟ^在濾波電容兩端并聯(lián)RC支路來實現(xiàn)阻尼。當Q ≈ 1時，阻尼電阻值計算公式如下：

阻尼電容值通常選取為濾波電容值的3倍至10倍。

圖1：典型的LC濾波器；L1和C2構(gòu)成濾波器

圖2：濾波器仿真結(jié)果，C2的ESR在兩個值之間變化：1mΩ和100mΩ

無阻尼與阻尼LC濾波器設(shè)計示例

圖3展示了當濾波電容ESR低至1mΩ時，無阻尼濾波器與阻尼濾波器的差異。C5選為C4容值的4.5倍，R1計算值為0.213Ω，實際選用0.2Ω電阻。圖4所示仿真結(jié)果表明，在1MHz處無明顯峰值，衰減量約為–58dB。

圖3：阻尼與無阻尼輸入濾波器對比

圖4：無阻尼與阻尼濾波器仿真結(jié)果

將無阻尼濾波器連接至DC-DC轉(zhuǎn)換器輸入端時，可能出現(xiàn)以下兩個設(shè)計問題。

1.IC在啟動時可能會失?。?/p>

啟動時，輸入電壓可能發(fā)生振鈴，峰值接近VIN的兩倍。對于12V轉(zhuǎn)5V且IC絕對最大輸入額定值為42V的設(shè)計，此類啟動過壓不太可能損壞器件。但在28V轉(zhuǎn)5V的設(shè)計中，振鈴電壓可能超過絕對最大輸入額定值，從而導致IC損壞。

2.輸出可能會振蕩：

LC濾波器本身易在f0處發(fā)生振蕩，脈動輸入電流會持續(xù)激發(fā)此諧振。圖5展示了LT8609S的內(nèi)置LTspice原理圖。電路中添加了輸入濾波器和額外輸入電容以復現(xiàn)無阻尼濾波器設(shè)計。濾波器諧振頻率f0由L2和總電容CT = C7 + C8 + C9決定，計算公式如下：

結(jié)果如圖6所示，輸出電壓在濾波器諧振頻率處出現(xiàn)振蕩。探測after_filter網(wǎng)絡(luò)可發(fā)現(xiàn)根本原因：輸入電壓發(fā)生了振蕩。此外，峰值電壓達46.6V，超過了LT8609的42V絕對最大輸入額定值。

圖5：輸入端接有無阻尼輸入濾波器的LT8609原理圖

圖6：仿真顯示輸出振蕩是由輸入濾波器導致輸入電壓在f0處振蕩引起的

LTspice中的設(shè)計示例

本例中，無線電接收器需在3A負載電流下將15V轉(zhuǎn)換為5V。開關(guān)頻率為1MHz，設(shè)計須符合MIL-STD-461G標準。選用LT8624S（第三代Silent Switcher?器件），因其具備低噪聲和低電磁干擾(EMI)性能。依據(jù)數(shù)據(jù)手冊和LTpowerCAD計算出該設(shè)計的元件值，如圖7所示。

圖7：用于15V轉(zhuǎn)5V、3A負載電流的LT8624S LTspice原理圖

MIL-STD-461G規(guī)定了電源線的傳導發(fā)射限值：CE101覆蓋30Hz至10kHz，CE102覆蓋10kHz至10MHz。限值單位為dBμV，需配合線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)(LISN)使用，LISN置于電源與受試設(shè)備(EUT)之間。LISN提供已知阻抗（通常約50Ω），并將EUT產(chǎn)生的傳導電流轉(zhuǎn)換為輸出端可測量的電壓。LTspice LISN電路可參考文章《如何使用LTspice獲得出色的EMC仿真結(jié)果 - 第1部分》。圖8展示了CE102限值曲線。對于28V以下系統(tǒng)，CE102基礎(chǔ)曲線在約1MHz以上給出了約60dBμV的平坦限值。仿真完成后，將光標懸停在電壓源上以繪制流過V1的電流；光標變?yōu)殡娏魈筋^后，點擊左鍵即可。顯示I(V1)波形后，在波形查看器中右鍵單擊并選擇View → FFT。此時將彈出窗口供選擇快速傅里葉變換(FFT)顯示的波形。選擇I(V1)并點擊OK。隨后顯示I(V1)的FFT結(jié)果，左側(cè)縱軸以dB為單位顯示幅值。如需將幅值轉(zhuǎn)換為線性刻度，請將光標懸停在左側(cè)縱軸上直至變?yōu)闃顺邎D標，然后右鍵單擊打開Left Vertical Axis – Magnitude窗口。將單選按鈕從Decibel改為Linear，然后點擊OK。輸入電流幅值即以線性刻度顯示。圖9顯示I(V1)幅值約為657mA。利用LISN約50Ω的輸入阻抗將此電流轉(zhuǎn)換為電壓：

將32.85V轉(zhuǎn)換為dBμV：

所需的濾波器衰減量為150dB – 60dB = 90dB。另一種計算方法是利用60dBμV = 1mV的關(guān)系。即：

將仿真得到的657mA除以20μA得到32,800，20log(32800) = 90.31dB。

圖8：CE102傳導發(fā)射限值曲線（單位：dBμV）

圖9：輸入電流I(V1)的線性刻度幅值

下一步是確定在1MHz處實現(xiàn)–90dB衰減所需的濾波器諧振頻率。LC濾波器的衰減量計算公式如下：

設(shè)計過程中通常先選定電感值，再利用濾波器方程求解電容值。對于單級LC濾波器而言，90dB的衰減目標過高，難以在保持快速瞬態(tài)響應(yīng)的同時選出合適元件。例如，若選用4.7μH電感：

為對濾波器進行阻尼處理，至少需要170μF × 3 = 510μF的阻尼電容，此容值過大。一種方案是增大電感值并僅使用單級LC濾波器。此舉可減少元件數(shù)量，但會犧牲尺寸、成本和瞬態(tài)響應(yīng)性能。更實用的方案是采用兩級LC濾波器，其在達到fESR之前形成四階濾波器，衰減斜率達–80dB/dec。更陡峭的斜率允許將f0提高10倍，同時仍能滿足衰減目標。作為對比，當f0 = 56.2kHz時，單級LC濾波器需選用33μH電感，而兩級LC濾波器僅需1μH電感。

圖10展示了兩種濾波器電路，圖11為仿真結(jié)果。單級濾波器勉強達到–90dB衰減，且僅在電容ESR為2mΩ或更低時才能實現(xiàn)，表明ESR零點已影響衰減斜率。對于fSW = 1MHz的應(yīng)用，33μH電感值過大，不利于快速瞬態(tài)響應(yīng)。相比之下，兩級LC濾波器使用較小值的元件即可提供超過–100dB的衰減量。額外的衰減裕度增強了設(shè)計信心，確保即使在電容因偏置電壓和溫度發(fā)生降額后，仍能滿足90dB的衰減目標。

圖10：單級與兩級LC濾波器對比的LTspice原理圖

圖11：兩種濾波器配置的LTspice仿真結(jié)果對比

結(jié)語

綜上所述，本文闡述了開關(guān)穩(wěn)壓器輸入濾波器的設(shè)計要點：既要充當EMI濾波器，又要作為連接轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定電源接口。簡單的LC濾波器可提供強大的差模衰減，但必須綜合考慮電容ESR、諧振峰值、啟動行為及與轉(zhuǎn)換器輸入阻抗的相互作用，以避免不穩(wěn)定或過壓應(yīng)力。借助LTspice，可根據(jù)傳導發(fā)射限值估算所需衰減量，比較單級與兩級方案，并在硬件制作前驗證阻尼效果。作為實用設(shè)計指南，建議從發(fā)射目標和目標頻段出發(fā)，在滿足衰減要求的前提下選用最小電感值，采用低DCR元件并在必要時添加主動阻尼，檢查諧振峰值和啟動過沖，考慮電容降額和ESR變化，最后通過頻域和時域仿真驗證最終設(shè)計，再使用LISN進行實驗室實測。

作者簡介

Rani Feldman于2017年加入ADI公司，擔任資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師。此前，他曾在凌力爾特（現(xiàn)為ADI公司的一部分）工作了三年。Rani擁有以色列阿夫卡學院電子工程學士學位和以色列霍隆理工學院工商管理碩士學位。