滤波器的作用、要求和步骤，以及一些设计的技巧和注意事项

高频纹波直接通过线性稳压器。 纹波来自开关电源、数字电路和无线电干扰。 当频率高于 10 kHz 时，大多数线性稳压器开始失效。 分布在芯片之间的小型旁路电容器在大约 1MHz 时生效。 由电感和电容组成的低通滤波器电路可以去除10kHz至1MHz之间的纹波。

一个好的电源滤波器可以由一个电感器和一个阻尼电容器组成。 这称为 LC 滤波器。 还可以使用更多或更少的组件来设计其他类型的滤波器。 设计过程从电感器的选择开始，然后围绕它设计滤波器。 如果您无法设计出可接受的滤波器，请找出电感器的问题，选择更好的电感器，然后重试。

在上面所示的简单设计中，假设电源调节器不在板上，通过连接器输入稳定的电压。 当有本地电压调节器时，设计会更简单，有时还可以减少电源滤波器。

电源滤波器位于稳压器之后，因此需要具有较低的直流压降。 电感器的数据表中有一个直流电阻值。 电压降比该电阻乘以电流大约高 20%。 额外的 20% 是为了考虑高温下电感器铜线电阻的增加。

电感选型

滤波器所需的电感值并不难计算。 它应该比与电源串联的所有其他电感器大十倍左右。 如果电源中没有其他电感器或铁氧体磁珠，则该电感是由电缆和 PCB 走线产生的。 计算该电感的不太精确的近似方法是采用功率传输的最大长度并乘以每毫米 1nH。 电源层的电感要低得多，并且在此计算中可以忽略电源层路径的长度。

在此示例中，我想使用 300mm 电缆为 PCB 供电，PCB 尺寸约为 100mm X 100mm。 总体长度为 500mm，这意味着我的配电电感约为 500nH。 为了使电源滤波器的电感比这个大十倍左右，我选择了一个 10uH +/- 30% 的电感。 额外的电感是为了考虑 -30% 的容差。 超出初始容差后，电感值会随着电流的增加而减小。 这个电感，当流过它的电流为2.4安培时，电感值会下降35%。

我选择了一系列电感器。 它具有低调、自屏蔽且易于操作的特点。 我通过在 Digi-Key 上搜索具有至少 2 安培额定电流的低成本 10uH 电感器找到了它。

下图是该型号的电感模型：

上图所示的电感器模型使用四个组件。 电感器 L 与数据表上的 L 相同。 串联电阻RESR与数据表上的RDC相同。 RQ和CSRF的值是根据数据表上的fSRF、Q和Q测试频率计算的。

这些附加元件使电感器具有如上所示的阻抗特性。 实线是阻抗的分贝幅值，虚线是阻抗的相位角。 低于 1kHz 时，电感器表现为小电阻 RDC。 在 1kHz 以上，它表现为电感器，直到接近自谐振频率 (SRF)。 在 SRF 附近的小频率范围内，电感器的行为类似于具有 RQ 值的大阻值电阻器。 在 SRF 之上，电感器的行为类似于电容器 CSRF。

从现在开始，使用电路仿真来节省时间。 免费模拟器使用下面的模拟原理图创建上面的电感器阻抗图。

电源V1为1V交流电源。 阻抗可以使用表达式 -1/(i(V1)) 绘制。

电容选型

将上述电感器模型原理图转换为低通滤波器就像在原理图中添加一个电容器一样简单。 我选择的是Kemet电容，型号为10uF极化钽电容，最大等效串联电阻为3.8Ω，额定电压为10V。

该滤波器的频率响应为V(VOUT)/V(VIN)，但由于仿真中V(VIN) = 1，因此我们直接看到的V(VOUT)输出曲线是相同的。

高 Q、低 ESR 陶瓷电容器在许多应用中已取代钽电容器。 接下来，我尝试使用低 ESR 陶瓷电容器代替钽电容器进行模拟。

15.9kHz 处的峰值是 LB 和 CB 的谐振。 共鸣就像我们唱歌时，当我们达到某个音高时，声音就会变大。 这里，LB和CB就像一个共鸣箱。 当它们受到15.9kHz的声音波动时，它们会产生共振并发出更强的声音。

该频率下的电源纹波将增加而不是减少。 由于这种谐振的频率范围很窄，因此在测试过程中很容易忽略这种谐振的影响。 LB和CB的值具有较大的公差，并且随时间和温度而漂移。 为了解决这个谐振问题，可以添加串联电阻。 对于阻尼电阻值的一个好的初步猜测是：

使用电路仿真软件找到第一个谐振点并调整电阻值以找到最佳阻尼值。 陶瓷电容器和电阻器的设计比钽电容器更具可重复性。 这是因为钽电容器的 ESR 值可以有很宽的范围。

负载网络建模

到目前为止，该示例没有负载阻抗或负载电流。 为了了解该滤波器在电路板上的外观，仿真需要包括 PCB 走线电感和旁路电容。 在上述频率下，传输线效应使模型进一步复杂化。 下一个电路示例有一个简化模型，代表 PC 板电源中的常见负载。 您可以查看自己的电路并使用每毫米 1nH 的粗略电感近似值来估计走线电感。 使用电源完整性 (PI) CAD 工具可以生成更准确的模型。

这些替代迹线的电感在配电网络 ( ) 中表现为附加谐振。

当负载表现为电感器和电容器时，模拟波形将产生一些额外的谐振（）。 尽管存在这些共振，该滤波器的性能仍然非常好。 滤波器的整体形状得以保留，因为电感远大于小负载电感的总和，并且阻尼电容远大于旁路电容的总和。

该板与实际电路还是有一些差异。 由于传输线效应，实际电路在上述频率下的响应会有所不同。 此外，其他小电流和电感器也变得重要，特别是在上述频率下。

如果没有电源滤波电路，或者使用大的无阻尼电容，就会引起这样的谐振：

负载电流

当我们使用电源给负载供电时，有些负载会经常需要不同的电流，而这种电流会导致电源电压不稳定。 为了解决这个问题，我们需要使用旁路电容器。 旁路电容器存储电荷，并可以在设备需要电流时提供瞬时电流。 脉动负载的一个示例是处理器进入和退出低功耗睡眠模式。

然而，有时旁路电容会与电网中的电感产生谐振。 就像我们唱歌时，声音在房间里反弹，导致声音变大。 为了解决这个问题，我们需要在电源输入端加一个滤波器来削弱这种谐振。 就像我们唱歌的时候，如果把房间的门窗关上，声音就不会被反射，变得更柔和。

旁路电容器还可能与配电网络中的电感器谐振。 抑制电源输入滤波器处的谐振并不能保证由负载电流引起的所有谐振也将被抑制，但通常会有所帮助。 为了演示潜在的问题，这里是滤波器的无阻尼（R3 = 0.01 欧姆）版本，在一个负载点具有交流电流源。

VLOAD 处的阻抗为 v(VLOAD)/i(I1)。 由于 I1 中的交流电流设置为 1，因此阻抗为 v(VLOAD)：

上面的无阻尼谐振频率为 1.87 MHz。 这是脉冲负载会引起问题的频率。

我使用上图所示的脉冲电流源模拟了脉冲负载。 此示例显示幅度为 20mA、周期为 535ns 的脉冲。 当脉冲电流源的周期等于谐振频率的倒数时，电压摆幅最大。

在此示例中，纹波电压的正弦形状是配电中无阻尼高 Q 谐振的典型特征。 无阻尼谐振充当滤波器，将电流脉冲转换为正弦电压波形。

如果仿真结束时电压仍在增长，请增加仿真时间以找到最大值。 更尖锐（更高 Q 因子）的谐振需要更长的时间才能稳定。

在睡眠模式电流脉冲的示例中，软件的变化可能导致脉冲的频率发生变化。 仅当睡眠周期与谐振频率一致时，才会出现由谐振引起的大电压波动。 在开发过程中，这可能会导致神秘的错误，这些错误看似与软件相关，但实际上是由硬件引起的。 在生产过程中，组件的变化可能会改变谐振频率，从而导致生产问题。 在使用过程中，温度变化和元件漂移会使谐振频率发生偏移，导致产品故障。

下一个仿真波形显示电阻 R3 设置为 3.8 欧姆的阻尼版本。 AC 分析表明两个最大的高 Q 谐振已被抑制：

这改变了脉冲负载电流引起的形状并减小了电压波形。

该三角波形是脉冲负载的典型波形。 这是由本地旁路电容器的充电和放电周期引起的。 通过增加旁路电容可以减小该三角波的幅度。 如果纹波波形看起来更像方波，则它是由旁路网络的电阻引起的，可以通过使用低 ESR 旁路电容器或更宽的走线来减少。 开启时的长而慢的脉冲是由阻尼低频谐振引起的。 短暂的尖峰是 10ns 电流源边缘的穿透，可以通过减少旁路电容器路径的电感来减少。 大约 4MHz 处的剩余谐振需要进一步模拟。

总结

通过使用正确设计的阻尼低通滤波器来避免配电谐振。

整篇文章就结束了。 既然您已阅读本文，请点赞或阅读。