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為對電源紋波敏感的應用，設計二級LC過濾器減小紋波

時間：2021-11-24 15:16:29

關鍵字：紋波二級LC濾波

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[導讀]某些應用，例如測試和測量用的傳感器，采集模擬量時，對電壓紋波非常敏感，通常需要非常低的輸出電壓紋波。例如，10μV/V 的紋波比轉化為 100dB 的衰減。

1.前言

某些應用，例如測試和測量用的傳感器，采集模擬量信號時，對電壓紋波非常敏感，通常需要電源輸出非常低的電壓紋波。例如，10μV/V 的紋波比轉化為 100dB 的衰減。

2、二級LC濾波

由于使用帶單級濾波器的降壓穩(wěn)壓器實現(xiàn)這種衰減水平是不切實際的，因此降低輸出電壓紋波的強大設計技術是使用第二級電感電容 (LC) 濾波器，如圖 1 所示。正確配置第二級過濾器對于獲得最佳性能至關重要。

為對電源紋波敏感的應用，設計二級LC過濾器減小紋波

圖 1：具有第二級 LC 濾波器的降壓

為了在開關頻率處獲得總共 100dB 的衰減，第一和第二個 LC 濾波器設計為分別提供衰減 A 1 (60dB) 和 A 2 (40dB)。對于第一級濾波器，電感器 L 1旨在根據(jù)負載電流提供選定的紋波比。在功率模塊中，該 L 1電感器集成在封裝內。

等式 1 將電感 L 1在開關頻率下的阻抗表示為：

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因此，公式 2 將 C 1在開關頻率下的阻抗表示為：

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等式 3 將所需的阻抗 X C1轉換為電容器 C 1的值：

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濾波器的輸出阻抗應足夠低，以免顯著影響轉換器的環(huán)路增益。低輸出阻抗還有助于更好地調節(jié)長走線長度。在我們無法維持穩(wěn)壓器驅動的負載靠近穩(wěn)壓器的系統(tǒng)中尤其如此。從圖 2 中可以看出，第一級電容 (C 1 ) 與第二級電容 (C 2 )的比率對轉換器的阻抗至關重要。

為了確保低阻抗并確保濾波器不會顯著影響環(huán)路，我將 C 1與 C 2的比率設置為 1 比 10。

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圖 2：具有不同濾波器設計的閉合輸出阻抗

公式 4 表示 C 2在開關頻率下的阻抗：

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為了獲得 A 2衰減，公式 5 將 L 2的阻抗確定為：

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公式 6 將所需的阻抗 X L1轉換為電容器 L 2的值：

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許多設計人員擔心第二級濾波器的額外極點和相位延遲會影響環(huán)路穩(wěn)定性。實際上，如果將附加雙極點放置在遠離交叉頻率的位置并保持其低于開關頻率，則不會影響轉換器的帶寬和相位裕度。

你更應該注意的是二級濾波器的Q值。高 Q 值將導致低增益裕度（如圖 3 所示），從而導致運行不穩(wěn)定，例如對階躍輸入的無阻尼響應。因此，我們必須抑制第二級濾波器的 Q，并且有不止一種方法可以做到這一點。

最簡單的方法是使用具有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的電解或聚合物電容器。然而，ESR 不是一個可靠的因素，并且會導致紋波衰減的減少（輸出紋波的增加）。另一種選擇是在濾波電感上并聯(lián)一個電阻，如圖4所示，具有體積小、成本低的優(yōu)點。缺點是它降低了濾波器在高頻下的有效性，因為它降低了濾波電感器的有效阻抗。

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圖 3：高 Q 導致低相位裕度

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圖 4：將電阻器與電感器并聯(lián)放置會抑制 Q

我們以 LMZM23601 為例，V IN = 24V，V OUT = 5V，F(xiàn) SW = 750kHz，I OUT = 1A。電源模塊有一個 10μH 集成電感器。因此，L 1在開關頻率下的阻抗為 47.1Ω。為了使第一級濾波器獲得 60dB 的衰減，開關頻率下的 C 1阻抗應為 47mΩ，即 4.5μF 轉換為電容。我選擇了 6.8μF 來增加一些裕量。由于第二級電容器設置為第一級電容器的 10 倍，因此 C 2的選擇值可以是 68μF。開關頻率下的最終阻抗 X C2為 3.1mΩ。

要獲得剩余的 40dB 衰減，阻抗 X L2應為 309mΩ，轉換為電感時為 65nH。由于此電感器將看到輸出電流，因此設計足夠的裕量以使電感器不會隨電流降額就很重要。我們可以選擇 160nH 的電感器。為了抑制 Q，我添加了一個與電感器 L 2并聯(lián)的 250m 電阻器。

圖 5 顯示了我在示例中使用的參數(shù)。

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