电源提示 ：使用二段滤波器实现低噪声电源

开关电源几乎用于所有电子设备中。它们由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值。但是，它们最大的缺点就是高开关瞬态导致高输出噪声。这个缺点使它们无法用于以线性稳压器供电为主的高性能模拟电路中。一些低噪声应用可能要求电源输出纹波电压低于输出电压的 0.1%。这些低纹波要求很容易转化为明显大于 60 dB 的滤波器衰减，而单级实际上无法满足。

实践证明，在很多应用中，经过适当滤波的开关转换器可以代替线性稳压器从而产生低噪声电源。哪怕在要求极低噪声电源的苛刻应用中，上游电源树的某个地方也有可能存在开关电路。因此，有必要设计经过优化和阻尼处理的多级滤波器，来消除开关电源转换器的输出噪声。

在本例中，我们考虑一个 570 kHz 降压稳压器，其输入电压为 12 V，输出电压为 3 V/5 A，最大输出纹波要求为 100 uVpp (40 dBuVpp)。开关节点处的基本开关频率幅度约为 5 Vpp (135 dB uVpp)，这转换为所需的 95 dB 衰减。由于无源器件的寄生元件，这远远超过单级滤波器应尝试的 60 dB。一旦决定使用两段式滤波器(图 1)，就需要选择分断频率和元件。

在这种设计方法中，首先从纹波电流分配中选择输出电感器 (L1)，就像任何降压稳压器一样，并且选择第一个滤波电容器 (C1) 以提供 60 dB 的衰减。第二级将受到重度阻尼，并将提供适度的 35 dB 衰减。此外，第一级 (C1) 与第二级电容 (C2) 的比率将设置为 1:10。这完成了许多事情：

1. 拆分两个滤波器共振

2. 使第二级的特性阻抗低，使阻尼更容易

3. 将大部分输出电容器集中在第二级，减轻额外负载电容的影响并提供良好的瞬态性能

4. 最大限度地减少第二级谐振的峰值，以简化环路补偿设计

将第一级电感器中的峰峰值纹波电流设置为等于 1 安培(额定输出的 20%)使得输出电感器 (L1) 为 6.8 uH，其在开关频率下的阻抗为 24 欧姆。对于提供 60 dB 衰减的第一级，电容器 (C1) 阻抗在开关频率下需要约为 24 毫欧，转换为大约 10 uF。建立的第一级电容与第二级电容的比率将第二级电容 (C2) 的基波阻抗设置为 100 uF 或 2.8 毫欧。选择第二级 (L2) 中的电感器以提供比所需的 35 dB 衰减多一点的衰减，因为第二级受 RD 阻尼。对于 40 dB 的衰减，其阻抗需要为 240 毫欧，相当于 68 nH 的电感。我使用 220 nH 来提供一些余量。最后，第二级滤波器应该被阻尼。阻尼电阻器 (RD) 的起点设置其电阻等于开关频率下的第二级电感器阻抗。

图 1：这种两段式滤波器提供 90 dB 的良好阻尼衰减

这是使用 P-SPICE 检查组件值如何影响性能的好地方。P-SPICE 可用于模拟滤波器的时域纹波性能，控制环路的频域特性。图 2 提供了时域纹波仿真的示意图。过滤器组件和负载很容易识别。两个源(V1 和 V2)用于模拟降压功率级。V2 在整个滤波器中设置 3 伏的初始条件，而 V1 模拟功率级的开关动作。开关周期设置为 1.75 微秒，频率约为 570 kHz，导通时间精确设置为 25%。

图 2：原理图用于模拟纹波性能。

图 3 提供了模拟结果，类似于我们的第一次计算。通过在电容器中包含诸如 ESR 和 ESL 以及电感器中的分布电容等寄生组件，可以进一步增强这种模拟。您会发现需要额外的过滤，尤其是当您将 ESL 添加到 C2 时。

图 3：模拟结果与手工计算的相关性很好。

这种模拟在某种程度上是开玩笑的，因为它需要付出巨大的努力才能将切换器的输出噪声实际控制到 100 uV 水平。滤波器组件中的寄生元件以及进入滤波器第二部分的电容或电感耦合会显着降低模拟衰减。第二部分以及负载也很可能需要屏蔽系统的其余部分。此外，还需要考虑提供最小 ESL 的馈通电容器。

总而言之，P-SPICE 可以为设计用于电源输出的两级滤波器提供一个很好的起点。在本文中，我们执行了时域仿真来预测输出纹波电压。我们还提出了一种设计策略，以最大化第二级的电容并阻尼该级。在下个月的文章中，我们将了解该策略如何帮助提供较宽的电源带宽，并将您的客户可能添加到输出的额外电容的影响降至最低。