电源提示：设计两级 LC 滤波器

许多应用需要低噪声电源，包括激光二极管驱动器和光学模块。即使使用低等效串联电阻 (ESR) 陶瓷输出电容器，使用传统的单级电感电容 (LC) 滤波器来为此类负载供电通常也是不切实际的。

LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要;LC滤波器按照功能分为LC低通滤波器、LC带通滤波器、高通滤波器、LC全通滤波器、LC带阻滤波器;按调谐又分为单调谐滤波器、双调谐滤波器及三调谐滤波器等几种。LC滤波器设计流程主要考虑其谐振频率及电容器耐压，电抗器耐流。

在电子线路中，电感线圈对交流有限流作用，由电感的感抗公式XL=2πfL可知，电感L越大，频率f越高，感抗就越大。因此电感线圈有通低频，阻高频的作用，这就是电感的滤波原理下面是LC滤波电路实例电感在电路最常见的作用就是与电容一起，组成LC滤波电路。我们已经知道，电容具有“阻直流，通交流”的本领，而电感则有“通直流，阻交流，通低频，阻高频”的功能。如果把伴有许多干扰信号的直流电通过LC滤波电路(如图)，那么，交流干扰信号大部分将被电感阻止吸收变成磁感和热能，剩下的大部分被电容旁路到地，这就可以抑制干扰信号的作用，在输出端就获得比较纯净的直流电流。

滤波电路的原理实际是L、c元件基本特性的组合利用。因为电容器的容抗xc=2nfc又1会随信号频率升高而变小，而电感器的感抗xl=2f会随信号频率升高而增大，如果把电容、电感进行串联、并联或混联应用，它们组合的阻抗也会随信号频率不同而发生很人变化口这表明，不同滤波电路会对某种频率信号呈现很小或很大的电抗，以致能让该频率信号顺利通过或阻碍它通过，从而起到选取某种频率信号和滤除某种频率信号的作用。

设计人员可能被迫使用两级 LC 滤波器，以实现低于 5mV 范围内的输出纹波水平。如果设计得当，两级滤波器可以满足非常严格的电源噪声要求。在本例中，我们将介绍纹波规格 <1mV 的 5V 输入 3.3V/5A 电源的设计。

为简单起见，让我们从设计有一个 1µH 电感器和一个 22µF 6.3V X5R 陶瓷输出电容器的单级 750kHz 开关开始。计算得到的输出纹波为 39mV，主要是由于直流偏置的 7.2µF 电容受限。在开关频率上需要 31dB 的衰减才能达到 1mV 的输出纹波。

第一步是选择一个大约是第一级电容 4 到 10 倍的第二级电容器。较小的电容会将二次谐振推离电源环路带宽，而较大的电容会增加衰减，但可能会干扰控制环路。示例中的第二级电容使用了一个 100µF 6.3V X5R 陶瓷电容。通过选择 150kHz 的第二个谐振，等式 1 可用于计算第二个电感器。

图 1：原理图和传递函数

图 1 显示了第二个 LC 前后的原理图和传递函数。有两种共振：25kHz 和 150kHz。另请注意，在第二个滤波器之后测量的 750kHz 开关频率处，衰减增加了 39dB。

为简单起见，第二步也是最后一步是使用电流模式控制来补偿电源。模拟功率级增益和相位显示输出极点为 6.5kHz。我建议将电源降到足够低，以防止第二次谐振回到零并保持大于 10dB 的增益裕度。在本例中，25kHz 带宽就足够了。图 2 显示了测量的环路响应。

图 2：5A 环路响应时的 5Vin、3.3Vout

图 3 显示了第二级之后的纹波——远低于 1mV。

图 3：第二级输出纹波

两级滤波器是降低降压转换器输出纹波的常用方法。仔细的设计考虑将产生低噪声、稳定的电源。