电源滤波设计关键基础精华集锦

2万 · 2013-11-24 23:31

5．电容滤波电路输出电压的佑算。如果电容滤波电路的放电时间常数按式GS0714或GS0715 取值的话，则输出电压分别为：　　
UL＝（0.9～1.0）U2 （半波） GS0716　　
UL＝（1.1～1.2）U2 （全波） GS0717　　
电容滤波电路结构简单、使用方便、应用较广。
六、升压电源和高压DAC为天线和滤波器提供调谐信号　　
天线阵列和滤波器常常通过改变钛酸钡锶（BST）电容上的电压来进行调谐。将这种铁电材料应用于电容时，只需施加一个电压，即可导致其晶体结构发生细小的变化，从而改变其介电常数，电容值因而随之改变。相比于传统的变容二极管，电子可调谐BST电容能够处理更高的功率和更大的信号幅度。

2万 · 2013-11-24 23:31

在典型应用中，调谐电容可补偿器件容差，调整滤波器的截止频率，或者匹配可调谐天线的网络阻抗。BST电容的调谐是通过施加0 V至30 V的电压来实现。现代电子器件所用的电源电压呈现越来越低的趋势，3.3 V、2.5 V甚至1.8 V电源已成为常用电源，尤其是在电池供电的应用中。如果仅仅针对这一功能而增加一个单独的电源，尽管可以获得调谐的好处，但并不总是值得这样做。因此，需要一种简便的方法来产生所需电源。　　

以此应用为例，假设电源电压为3 V，但为了完全控制BST电容，需要20 V以上的电压。两个主要电路模块分别是升压开关转换器ADP1613和高压 DAC AD5504。图1所示电路可产生高达30 V的DAC输出电压。DAC输出设置BST电容的偏置电压，从而调整天线响应。

图1. 升压电源和高压DAC为BST电容提供调谐信号

2万 · 2013-11-24 23:32

ADP1613是一款升压DC-DC开关转换器（图4），集成了功率开关，能够提供高达20 V的输出电压。通过使用外部器件，它可以输出更高的电压。如图所示，ADP1613从3 V输入产生32 V输出。ADIsimPower™工具可以帮助设计人员根据输入要求轻松确定适当的器件。

2万 · 2013-11-24 23:32

ADP1613的32 V输出为四通道12位高压DAC AD5504（图5）供电，而该DAC的四路输出各自可以提供最高60 V的电压。R_SEL引脚上的电压决定其满量程输出。在此应用中，R_SEL连接到VDD，从而将满量程输出设置为30 V。DAC寄存器通过3 V兼容串行接口进行更新。利用脉冲将负载引脚（LDAC）拉低，可以同时更新所有四个DAC，因此可以同时改变四个BST电容。　　

图2所示为一个用作可调谐匹配网络的BST电容的等效电路。图3显示了BST电容与电压的传递函数以及天线响应。BST电容可以从Agile RF等供应商处购得。

图2. BST电容等效电路

图3. 偏置电压与BST电容的关系以及相应的天线响应

2万 · 2013-11-24 23:32

图4. ADP1613功能框图

图5. AD5504功能框图

2万 · 2013-11-24 23:32

诸如图1所示的电路对目前正受到两种对立要求夹击的新一代移动电话有利。一方面一如既往地需要减小尺寸和功耗，而另一方面又需要提高性能，以便通过在更小的体积中安装更多天线和无线电系统来利用更多的频段。就体积和效率而言，天线设计人员渐已达到物理设计的极限，一旦缩小天线体积，效率即会下降。可调谐天线解决了多频段、多模式手机中的这一问题，并且能够扩展手机的工作频率范围，例如从美国GSM850切换到欧洲 GSM900，同时尺寸和效率保持不变。在多用途设备中，发送短信、通话或浏览网络会涉及到不同的头部和手部位置，这会给天线提供不同的负载阻抗，导致天线失谐和信号质量下降。可调谐阻抗匹配网络则能根据条件变化随机应变，恢复失谐的信号。
升压DC/DC开关转换器工作频率为650 kHz/1300 kHz　　
ADP1613升压转换器采用2.5 V至5.5 V单电源供电，却能够提供150 mA以上的电流和高达20 V的电压。通过将一个2 A、0.13 ？功率开关与一个电流模式脉宽调制调节器集成在一起，其输出随输入电压、负载电流和温度变化而改变的幅度不到1%。工作频率可通过引脚选择，并可通过优化实现高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz时，其效率可达到90%;1.3 MHz时，其电路能够以最小空间实现，因而非常适合便携式设备和液晶显示器中的空间受限环境。可调软启动电路可将浪涌电流降至最小，从而确保安全、可预测的启动条件。ADP1613在开关状态下的功耗为2.2 mA，在非开关状态下的功耗为700 ？A ，而在关断模式下的功耗为10 nA。它采用8引脚MSOP封装，额定温度范围为–40℃至+85℃，千片订量报价为0.70美元/片。　　
四通道12位DAC提供高压输出　　
四通道12位高压DACAD5504提供引脚可选的0 V至30 V或0 V至60 V输出范围。该器件功能完整，内置精密基准电压源、温度传感器、四个双缓冲 DAC和四个高压放大器。上电时，数字部分使能并设置为已知状态，模拟部分则保持禁用状态，直到通过SPI端口发出上电命令。如果芯片温度超过110°C ，温度传感器将断开模拟输出，并设置一个报警标志。在30 V模式下，AD5504的最大微分非线性（DNL）额定值为1 LSB，而最大积分非线性（INL）额定值为3 LSB。它采用10 V至62 V和2.3 V至5.5 V电源供电，正常模式下的功耗为2 mA，而掉电模式下的功耗为30 mA。它采用16引脚TSSOP封装，额定温度范围为–40℃至+105℃。　　

2万 · 2013-11-24 23:33

诸如图1所示的电路对目前正受到两种对立要求夹击的新一代移动电话有利。一方面一如既往地需要减小尺寸和功耗，而另一方面又需要提高性能，以便通过在更小的体积中安装更多天线和无线电系统来利用更多的频段。就体积和效率而言，天线设计人员渐已达到物理设计的极限，一旦缩小天线体积，效率即会下降。可调谐天线解决了多频段、多模式手机中的这一问题，并且能够扩展手机的工作频率范围，例如从美国GSM850切换到欧洲 GSM900，同时尺寸和效率保持不变。在多用途设备中，发送短信、通话或浏览网络会涉及到不同的头部和手部位置，这会给天线提供不同的负载阻抗，导致天线失谐和信号质量下降。可调谐阻抗匹配网络则能根据条件变化随机应变，恢复失谐的信号。
升压DC/DC开关转换器工作频率为650 kHz/1300 kHz　　
ADP1613升压转换器采用2.5 V至5.5 V单电源供电，却能够提供150 mA以上的电流和高达20 V的电压。通过将一个2 A、0.13 ？功率开关与一个电流模式脉宽调制调节器集成在一起，其输出随输入电压、负载电流和温度变化而改变的幅度不到1%。工作频率可通过引脚选择，并可通过优化实现高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz时，其效率可达到90%;1.3 MHz时，其电路能够以最小空间实现，因而非常适合便携式设备和液晶显示器中的空间受限环境。可调软启动电路可将浪涌电流降至最小，从而确保安全、可预测的启动条件。ADP1613在开关状态下的功耗为2.2 mA，在非开关状态下的功耗为700 ？A ，而在关断模式下的功耗为10 nA。它采用8引脚MSOP封装，额定温度范围为–40℃至+85℃，千片订量报价为0.70美元/片。　　
四通道12位DAC提供高压输出　　
四通道12位高压DACAD5504提供引脚可选的0 V至30 V或0 V至60 V输出范围。该器件功能完整，内置精密基准电压源、温度传感器、四个双缓冲 DAC和四个高压放大器。上电时，数字部分使能并设置为已知状态，模拟部分则保持禁用状态，直到通过SPI端口发出上电命令。如果芯片温度超过110°C ，温度传感器将断开模拟输出，并设置一个报警标志。在30 V模式下，AD5504的最大微分非线性（DNL）额定值为1 LSB，而最大积分非线性（INL）额定值为3 LSB。它采用10 V至62 V和2.3 V至5.5 V电源供电，正常模式下的功耗为2 mA，而掉电模式下的功耗为30 mA。它采用16引脚TSSOP封装，额定温度范围为–40℃至+105℃。　　

2万 · 2013-11-24 23:33

七、滤波器选择需注意的十个问题、如果未经过对仪器的EMI、EMS指标测试就选定了滤波器，基本上属于“盲人骑瞎马、夜半临深池”的主儿；　　

2、如果机器上选择的是一个市面上买来的通用滤波器，这个滤波器基本上是可以不加的；　　

3、滤波器8分定制、2分通用才算比较靠谱。　　

下此结论的原因是因为最近遇到的好几起事情，都加了滤波器，但传导就是不过，最后还是根据测试结果给设计了个滤波器样品，一装上ok才算 pass，其实设计本身也并不复杂，不过多加了一级差模电容和差模电感、或调整了一下滤波器电感电容的参数而已。通用型的IEC插座滤波器，里面的空间很小，一般只能放得下2个共模电容、一个差模电容和一个共模电感，靠这点东西就能放之四海而皆准，难度莫大焉。

2万 · 2013-11-24 23:33

那滤波器应如何选型？
第一种是预知晓（起码是估计）需滤掉的杂波频点或频段和强度，然后提出对滤波频段的衰减要求，将此要求提给厂家，由厂家给您设计一款适用的滤波器。　　
第二种是先设计产品，结构空间上预留出装滤波器的位置，等产品装好后进行测试，根据测试的结果确定滤波器的滤除频点和衰减特性。
除此二者外，基本上没有其他的方法能有效地选好滤波器。　　
案例1：　　
如低频无极灯产品，整流器开关频率220KHz，此频率是干扰的基频，其他干扰频率基本都是此频点的高次谐波，在起初设计时，就可以根据预估给出滤波器的要求来，220KHz频点时，共模插损ILCM=60dB 差模插损ILDM=60dB，根据这个要求，滤波器厂家就可以设计出滤波器来。　　
如手术室用监护仪，与手术刀在共同的环境下使用，手术刀的频率是500KHz，可以根据预估给出对滤波器的要求，500KHz频点时，共模插损 ILCM=70dB 差模插损ILDM=70dB，根据这个要求，滤波器厂家就可以设计出滤波器来。　　
插损这个指标，行规是在50Ω的标准负载下测得的，但实际电路中，阻抗匹配的不可能这样标准，因此，插损的指标在使用会打些折扣。所以预估时要求指标要高些。　　

2万 · 2013-11-24 23:33

案例2：某产品未加滤波器时的测试结果，画黑圈的是两个主要的超标频点，最左侧的点是213KHz，超标7dB左右，右面一个是它的高次谐波，可以不必理它，213K滤掉了，那个也就跟着消除了。　　
作为电子设计工程师，能预估出、或能测出预定的干扰频率和提出拟衰减的指标来，这就够了。　　
滤波器有多种，做仪器设备中常用到的是电源滤波器和信号滤波器。其他类型的作无功功率补偿的电力滤波器、微波频段的滤波器不是这里讨论的内容。　　
滤波器的选择需要考虑以下多点：　　
1.电压　　
这个电压值要求是一个范围，是稳态电压±纹波电压的综合。　

2万 · 2013-11-24 23:33

2.电流　　
电流的指标很关键，它决定了滤波器内部的电感的绕组铜线和引出线的线径。如果选细了，细导线上跑大电流，如小马拉大车，会引起严重发热以至烧毁。这个电流也是一个范围，稳态电流+波动电流的最大值。　　
3.电磁兼容标准要求　　
既然是滤波器，为的就是滤掉一些不期望的频段，而滤除的效果一般是由EMC测试标准和现场应用的直观结果来确定。尤其是电源滤波器，最好能确定用此滤波器的产品需要通过的是哪个标准，根据标准要求的不同，在选择时也有其特定的测试频段要求。　　
电源滤波器的主要针对指标是传导发射CE和传导抗扰CS，信号滤波器的则主要看EMC标准里对不期望输入频段和不期望输出频段的要求了。　　
比如无极灯用的整流器，本身就是一个开关工作状态，会有对外的发射，EMC测试时候会重点检查其开关频率以及其高次谐波成分的传导干扰，滤波器就需要针对这些特定频段或频点具有足够的滤除效果。　　

2万 · 2013-11-24 23:34

4.安规标准要求　　
读者可能会觉得奇怪，选滤波器，说安规标准干啥？这是因为滤波器一般用在电源输入端和板卡的接口处，这些部位都是安规问题的重灾区。等于是滤波器一身承担了多个要求。与滤波器有关的安规重点是三个指标：绝缘耐压、漏电流、剩余电压剩余能量。　　
绝缘耐压打LN对地的绝缘强度，考验的是Y电容的耐压值，Y电容大了，漏电流就会大，容易导致安规要求上的漏电流超标，现在有部分厂家设计上就采取了输入端无Y电容设计（如图）。这样LN对G就成了LN通过L1、Cy1、Cy2、G’对G了，而G和G’是不连的。如果采用了输入端接Y电容的方式，即将Cy1和Cy2放到前面R的左面来，则测试时须注意绝缘耐压的设定和漏电流的大小是正相关的，最高不超过20mA。曾经遇到过差点被退货说滤波器安规不合格的情况，最后经查是1500V时漏电流设定为2mA（应为5mA），测试仪器报警就是正常的了。　　

2万 · 2013-11-24 23:34

另一个问题就是R的选择，有好多厂家的滤波器没装这个电阻，在拔掉插头后，在较短的时间内，去摸电源的插口，如果会有被电的感觉，问题就出在没装这个电阻上。这是个高耐压、起泄放电作用的功率电阻。　　
5.滤波器电路结构形式　　
电路结构形式和期间的参数选择是滤波器的核心，但就是在这一部分，应用工程师的选择常常两眼一摸黑着选，虽然大多时候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的设计方式，浪费资源、埋留隐患的可能性就大大增加。这在需要精益设计、从中国制造到中国创造的电子制造业，从初级工程师向资深工程师的成长期望上来说，都是不合时宜的。　　
滤波器的作用是对通过其的不同频率有不同的放大效果，对通带内频段的则不衰减，对通带外要抑制的则以几十个dB的级别进行衰减，从而达到过筛子的目的。但就是滤波器在对不同频率的电压幅值采取不同放大倍数的时候，电磁波的相位也在发生变化，因为相位也是和频率有关的，所以滤波器结构形式的选取，也还是有些学问的。　

2万 · 2013-11-24 23:34

另一个问题就是R的选择，有好多厂家的滤波器没装这个电阻，在拔掉插头后，在较短的时间内，去摸电源的插口，如果会有被电的感觉，问题就出在没装这个电阻上。这是个高耐压、起泄放电作用的功率电阻。　　
5.滤波器电路结构形式　　
电路结构形式和期间的参数选择是滤波器的核心，但就是在这一部分，应用工程师的选择常常两眼一摸黑着选，虽然大多时候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的设计方式，浪费资源、埋留隐患的可能性就大大增加。这在需要精益设计、从中国制造到中国创造的电子制造业，从初级工程师向资深工程师的成长期望上来说，都是不合时宜的。　　
滤波器的作用是对通过其的不同频率有不同的放大效果，对通带内频段的则不衰减，对通带外要抑制的则以几十个dB的级别进行衰减，从而达到过筛子的目的。但就是滤波器在对不同频率的电压幅值采取不同放大倍数的时候，电磁波的相位也在发生变化，因为相位也是和频率有关的，所以滤波器结构形式的选取，也还是有些学问的。　

2万 · 2013-11-24 23:34

滤波器结构形式常用的是三种：　
a.巴特沃思滤波器：特点是通带内放大倍数平整，通带内，随着频率的变化，滤波器放大倍数基本维持不变；但缺点是通带向截止段的过渡段，过渡的较为平缓。意思是说，敌人和朋友的界限不是很清楚，有一部分朋友也在干着敌人的事情，有一部分敌人也在帮我们，对这一部分是杀掉还是留在组织里，让人很纠结。如果有用频率和干扰频率离得很近，这种滤波器的作用就很有问题。　　
b.切比雪夫滤波器：它可以很好的解决巴特沃思过渡带平缓的缺点，在这种形式的滤波器中，过渡带很陡峭，即使有用频率和干扰频率很近，因为过渡带很陡峭，所以其截止频率点前后两个频段放大倍数的差别很大，非友即敌，很好区分，是朋友就没干过对不起我们的事，是敌人的就没干过对我们好的事，所以朋友拉入组织优厚待遇，是敌人则干净利落的消灭之。高山之侧必有深谷，一个优点必然伴随着一个缺点，切比雪夫滤波器的缺点是在通带频率的末端部分，放大倍数会有较强的波动，即在通带内，随着频率的变化，放大倍数虽然比滤除频段大了很多，但对通带内的频率，其放大倍数并不是保持稳定不变的，就是说，朋友们的情绪并不稳定，也不是所有朋友都一如既往的付出帮助。（仅做举例说明，不要误解为对朋友的不满哈）　　
c.贝塞尔滤波器：此种滤波器不是很通用，用的较专，因为它的特性是相位线性。前两种关注的是放大倍数，但如果对语音信号，比如歌曲，通带内放大倍数虽然没有变化，但其旋律却不再悠扬。因为相位的变化导致歌曲的呕呀啁咤难为听。此时，贝塞尔滤波器将会发生其作用。　

2万 · 2013-11-24 23:34

至于选择哪种滤波器电路结构形式，电路工程师未必去做深入研究，但须知道自己想要的特性，并提供给滤波器厂家，由他们帮您做选择。　　
现在的电源滤波器都是低通滤波器，通过的都是工频50Hz或60Hz，这是有用频率，其他的全是无用的了，所以用截止频率在1KHz以上的就绰绰有余，因此，盲人骑瞎马似的随便选滤波器，很多时候也没出问题。所以对电源滤波器的选取在工艺、安规上就要多关注了。但在有特定输出或输入的场合，电源滤波器的选择就要谨慎了。比如医疗手术时的电刀产品，其工作频率是500KHz，它本身会对网电源造成干扰，所以电刀的对外传导干扰需要抑制；同时，与电刀共用电源的设备也要警惕，其500KHz也可能会对您产生干扰。
6.插损曲线　　
滤波器的插损测量当不得真。举例来说，如果我们发现100KHz超标13dB，选择了一款滤波器，从插损曲线上看出其在100KHz时的插损是20dB，觉得此滤波器用上去就肯定就没问题，那就错了，因为厂家的插损曲线都是在50Ω-50Ω的标准阻抗下测得，实际上的应用现场，基本可以肯定不是如此标准的源阻抗和负载阻抗特性，所以滤波器的衰减效果会大打折扣，因此，选择的时候对拟抑制的频率点必须至少留出20dB的余量，如上例就需选择100KHz 时插损不低于33dB的滤波器。　　
另外插损分共模插损和差模插损，一般对30MHz以上的干扰，选择共模插损满足上面要求的滤波器，10MHz以下的干扰选择差模插损满足要求的滤波器，对上例100KHz，选择差模插损33dB的滤波器。

2万 · 2013-11-24 23:34

7.滤波器的安装形式　　
这个问题好理解，一般有板式（有可焊插针引脚）、螺丝固定安装、IEC标准（带单相220V三针输入）、带开关的IEC，这个根据实际结构功能要求选择即可。　　
8.安装工艺规范　　
滤波器的安装是仅次于电路结构形式和组成器件指标的技术要素。主要体现在滤波器的位置、接地的措施。位置要求靠近输入或输出端，为的避免输入端输出端线缆上的高频干扰辐射出来影响到其他电路；输入线输出线不得并行走线，不得靠近走线，以免相互串扰造成该干净的干净不了；滤波器课题是金属壳体，接地要求面接地而不是线接地，须保证整个面与地接触良好，不能仅靠固定引脚的螺丝或上面引出的接地导线来接地，导线接地的引线电感量大，高频接地阻抗偏高导致高频接地不良，滤波效果不好；接地线缆不宜用拧接方式，必须选用焊接方式。　　

2万 · 2013-11-24 23:35

9.滤波器的Q值　　
Q值对实际滤波效果影响倒不大，但Q值代表的是损耗 / 输入功率，Q值越高，说明损耗越大，意指会有部分能量在滤波器的电感上被损耗掉。在一般的低功率电源滤波器和信号滤波器上，此问题不会太突出。但在较大功率的滤波器上，这个损耗不可小视，一是会引起发热，发热后的电容会引起较大的负面影响，漏电流、耐压、容值等都会随温度变化而变化；二是耗电量大会导致无谓的电损失。　　
10.其他　　
另外的内容就是滤波器的内部了，作为用户是看不到的，灌封胶的灌封均匀致密程度、器件和金属之间绝缘纸的厚度，这些用户只能通过讯问的方式了解了，至于生产厂家说不说实话，全凭天命。

2万 · 2013-11-24 23:35

八、开关电源中选取滤波电容的三个主要参数　　
开关电源中选取滤波电容的三个主要参数　　
许多电子设计者都知道滤波电容在电源中起的作用，但在开关电源输出端用的滤波电容上，与工频电路中选用的滤波电容并不一样，在工频电路中用作滤波的普通电解电容器，其上的脉动电压频率仅有100 赫兹，充放电时间是毫秒数量级，为获得较小的脉动系数，需要的电容量高达数十万微法，因而一般低频用普通铝电解电容器制造，目标是以提高电容量为主，电容器的电容量、损耗角正切值以及漏电流是鉴别其优劣的主要参数。　　
在开关稳压电源中作为输出滤波用的电解电容器，其上锯齿波电压的频率高达数十千赫，甚至数十兆赫，它的要求和低频应用时不同，电容量并不是主要指标，衡量它好坏的则是它的阻抗一频率特性，要求它在开关稳压电源的工作频段内要有低的等的阻抗，同时，对于电源内部，由于半导体器件开始工作所产生高达数百千赫的尖峰噪声，亦能有良好的滤波作用，一般低频用普通电解电容器在10 千赫左右，其阻抗便开始呈现感性，无法满足开关电源使用要求。　　

2万 · 2013-11-24 23:35

开关稳压电源专用的高频铝电解电容器，它有四端个子，正极铝片的两端分别引出作为电容器的正极，负极铝片的两端也分别引出作为负极。稳压电源的电流从四端电容的一个正端流入，经过电容内部，再从另一个正端流向负载；从负载返回的电流也从电容的一个负端流入，再从另一个负端流向电源负端。因为四端电容具有良好的高频特性，它为减小输出电压的脉动分量以及抑制开关尖峰噪声提供了极为有利的手段。　　
高频铝电解电容器还有多芯的形式，它将铝箔分成较短的若干小段，用多引出片并联连接以减小容抗中的电阻成份，同时，采用低电阻率的材料并用螺杆作为引出端子，以增强电容器承受大电流的能力。叠片电容也称为无感电容，一般电解电容器的芯子都卷成圆柱形，等效串联电感较大；叠片电容的结构和书本相仿，因流过电流产生的磁通方向相反而被抵消，因而降低了电感的数值，具有更为优良的高频特性，这种电容一般做成方形，便于固定，还可以适当减小占机体积。此外，还有一种将四端和叠片相结合的四端叠片式高频电解电容器，它综合了两者的优点，高频特性更佳。

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