电源滤波设计关键

二、桥式整流滤波电路图

桥式整流滤波电路图

单相桥式整流π型滤波电路

三、滤波电路的设计　　

滤波电路的设计　　

交流电经过二极管整流之后，方向单一了，但是大小（电流强度）还是处在不断地变化之中。这种脉动直流一般是不能直接用来给无线电装供电 的。要把脉动直流变成波形平滑的直流，还需要再做一番“填平取齐”的工作，这便是滤波。换句话说，滤波的任务，就是把整流器输出电压中的波动成 分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。

电容滤波

电容器是一个储存电能的仓库。在电路中，当有电压加到电容器两端的时候，便对电容器充电，把电能储存在电容器中；当外加电压失去（或降低） 之后，电容器将把储存的电能再放出来。充电的时候，电容器两端的电压逐渐升高，直到接近充电电压；放电的时候，电容器两端的电压逐渐降低，直到 完全消失。电容器的容量越大，负载电阻值越大，充电和放电所需要的时间越长。这种电容带两端电压不能突变的特性，正好可以用来承担滤波的任务。

图5-9是最简单的电容滤波电路，电容器与负载电阻并联，接在整流器后面，下面以图5-9（a）所示半波整施情况说明电容滤波的工作过程。在二极管 导通期间，e2 向负载电阻Rfz 提供电流的同时，向电容器C充电，一直充到最大值。e2 达到最大值以后逐渐下降；而电容器两端电压不能突然变化，仍 然保持较高电压。这时，D 受反向电压，不能导通，于是Uc便通过负载电阻Rfz 放电。由于C和Rfz 较大，放电速度很慢，在e2 下降期间里，电容器C上 的电压降得不多。当e2 下一个周期来到并升高到大于Uc时，又再次对电容器充电。如此重复，电容器C两端（即负载电阻Rfz ：两端）便保持了一个较平 稳的电压，在波形图上呈现出比较平滑的波形。图5-10（a）（b）中分别示出半波整流和全波整流时电容滤波前后的输出波形。

显然，电容量越大，滤波效果越好，输出波形越趋于平滑，输出电压也越高。但是，电容量达到一定值以后，再加大电容量对提高滤波效果已无明显 作用。通常应根据负载电用和输出电说的大小选择最佳电容量。表5-2 中所列滤波电容器容量和输出电流的关系，可供参考。 电容器的耐压值一般取 的 1．5倍。　

表5-3中列出带有滤波器的整流电路中各电压的关系。 表一、输出电流2A左右1A左右0.5-1A左右0.1-0.5A100-50mA50mA以下

滤波电容4000u2000u1000u500u200u-500u200u　　

采用电容滤波的整流电路，输出电压随时出电流变化较大，这对于变化负载（如乙类推挽电路）来说是很不利的。　　

二、电感滤波　　

利用电感对交流阻抗大而对直流用抗小的特点，可以用带铁芯的线圈做成滤波器。电磁滤波输出电压较低，相输出电压波动小，随负载变化也很 小，适用于负载电流较大的场合。　　

三、复式滤波器　　

把电容按在负载并联支路，把电感或电阻接在串联支路，可以组成复式滤波器，达到更佳的滤波效果口这种电路的形状很象字母π，所以又叫π 型滤波器。　　

图5－12所示是由电磁与电容组成的LC滤波器，其滤波效能很高，几乎没有直流电压损失，适用于负载电流较大、要求纹波很小的场合。但是，这 种滤波器由于电感体积和重量大（高频时可减小），比较笨重，成本也较高，一般情况下使用得不多。　　

由电阻与电容组成的RC滤波器示于图5－13中。这种复式滤波器结构简单，能兼起降压、限流作用，滤波效能也较高，是最后用的一种滤波器。上 述两种复式滤波器，由于接有电容，带负载能力都较差。　　

四、RC滤波电路的计算及公式　　

RC滤波电路的计算及公式　　

对于无源RC一阶低通滤波电路，其传递函数为G（s）=1/（RCs+1）。转换为信号经过它的衰减的计算方法为：　　

Uo=Ui/［（2*Pi*f*R*C）^2+1］^0.5　　

式中：Uo为输出电压；Ui为输入电压；Pi为圆周率；f为信号频率。　　

对于无源RC二阶（以上）低通滤波电路，由于此处用文字行不大好表达，所以就不写出了。

五、电容滤波电路　　

滤波电路　　

整流电路虽然可将交流电变成直流电，但其脉动成分较大，在一些要求直流电平滑的场合是不适用的，需加上滤波电路，以减小整流后直流电中 的脉动成分。　　

一般直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示：　　

脉动系数（S）＝GS0712　　

例如，全波整流输出电压uL可用付氏级数展开为：

GS0713　　

其中基波最大值为0.6U2，直流分量（平均值）为0.9 U2，故脉动系数S≈0.67 。同理可求得半波整流输出电压的脉动系数为S＝1.57，可见其 脉动系数是比较大的。一般电子设备所需直流电源的脉动系数小于0.01，故整流输出的电压必须采取一定的措施，一方面尽量降低输出电压中的脉动成分 ，另一方面尽量保存输出电压中的直流成分，使输出电压接近于较理想的直流电源的输出电压。这一措施就是滤波。　

最基本的滤波元件是电感、电容。其滤波原理是：利用这些电抗元件在整流二极管导通期间储存能量、在截止期间释放能量的作用，使输出电压 变得比较平滑；或从另一角度来看，电容、电感对交、直流成分反映出来的阻抗不同，把它们合理地安排在电路中，即可达到降低交流成分而保留直流成 分的目的，体现出滤波作用。　　

常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。其中无源滤波的主要形式有电容滤波，电感滤波和复式滤波（包括倒L型LC滤波，π型LC滤波和π 型RC滤波等）。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。　　

电容滤波　　

半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下：

电容C并联于负载 RL的两端，uL＝uC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止，输出电压uL的波形如图中红线所示。并入 电容之后，设在 ωt=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流iL流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为 上正下负。如忽略二极管的内阻，则uC 可充到接近u2的峰值u2m。在u2 达到最大值以后开始下降，此时电容器上的电压uc也将由于放电而逐渐下降。当 u2＜uc时，D因反偏而截止，于是C以一定的时间常数通过RL 按指数规律放电，uc下降。直到下一个正半周，当u2 ＞uc时，D又导通。如此下去，使输出 电压的波形如图中蓝线所示。显然比未并电容C前平滑多了。　

全波或桥式整流电容滤波的原理与半波整波电容滤波基本相同，滤波波形如图Z0711 所示。

从以上分析可以看出：　　

1. 加了电容滤波之后，输出电压的直流成分提高了，而脉动成分降低了。这都是由于电容的储能作用造成的。电容在二极管导通时充电（储能） ，截止时放电（将能量释放给负载），不但使输出电压的平均值增大，而且使其变得比较平滑了。　　

2．电容的放电时间常数（τ＝RLC）愈大，放电愈慢，输出电压愈高，脉动成分也愈少，即滤波效果愈好。故一般C取值较大，RL也要求较大。实 际中常按下式来选取C的值：　　

RLC≥（3～5＞T（半波） GS0714　　

RLC≥（3～5）T／2（全波、桥式） GS0715　　

3．电容滤波电路中整流二极管的导电时间缩短了，即导通角小于180°。而且，放电时间常数越大，导通角越小。因此，整流二极管流过的是一 个很大的冲击电流，对管子的寿命不利，选择二极管时，必须留有较大余量。

4. 电容滤波电路的外特性（指UL与IL之间的关系）和脉动特性（指S与IL 之间的关系）比较差，如图Z0712 所示。可以看出输出电压UL和脉动系数S 随着输出电流IL 的变化而变化。当IL＝0（即RL= ∞ ）时，UL = U2（电容充电到最大值后不再放电），S = 0。当IL增大（即RL减小）时，由于电容放 电程度加快而使UL下降，UL 的变化范围在 U2 ～0.9 U2之间（指全波或桥式），S变大。所以，电容滤波一般适用于负载电流变化不大的场合。　　

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。　

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

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。

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

图4. ADP1613功能框图

图5. AD5504功能框图

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℃。　　

七、滤波器选择需注意的十个问题　　

近期接触几位技术工程师朋友在选用滤波器，发现了不少有意思的问题，才发现波平浪静处水最险，简曰“灯下黑”。于是才斗胆诞生此文。　　

1、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。

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。　　

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.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。　　

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。　　

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。　　

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。　　

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。　　

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。