抑制PCB對直流電源噪聲干擾的濾波器設(shè)計

　　采用電路測量的方法設(shè)計一款通用濾波器，用來抑制數(shù)字電路板給直流供電電源帶來的噪聲干擾。介紹了雙探針測量技術(shù)，使用雙探針法測量出直流供電電源和印制電路板在實際加電工作中的阻抗，用測量出的阻抗信息，選擇出合理的濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過計算確定元器件值，而并不需要反復(fù)做實驗和付出額外的代價。通過實際進(jìn)行的測試，驗證了這種濾波器的有效性和可行性。

　　0 引言

　　為抑制電磁干擾（EMI），通常在印制電路板（PCB）的輸入電源端放置EMI濾波器。在實際應(yīng)用中，一個電子產(chǎn)品中的幾塊PCB板常共用一個直流供電電源，這樣造成一塊PCB上的噪聲干擾到另外一塊PCB上的電路。使用電源濾波器可以抑制共用一路電源的PCB板間的耦合噪聲。

　　1 方案設(shè)計

　　設(shè)計PCB上的電源EMI濾波器時，要么按照芯片資料的推薦電路來設(shè)計，要么通過試驗來確定濾波器的布局和元器件值。但是對于一塊指定的PCB來說，沒有通用的方法來設(shè)計EMI濾波器，這樣就造成了設(shè)計時的困難。該文的目標(biāo)是設(shè)計一種通用濾波器，但前提條件是PCB上的噪聲、阻抗和電源是已知的或是可求的。在已知噪聲和阻抗的情況下可以設(shè)計出最優(yōu)的EMI濾波器。

　　為了測試這種設(shè)計，用線性電源（0~32V，5A）來給數(shù)字PCB供電。這樣選擇的線性電源不會引入高頻噪聲影響測試結(jié)果。直流輸入噪聲的時域和頻域圖如圖1所示。圖1中可以看出，頻率1MHz的噪聲最大，因此EMI濾波器要抑制頻率為1MHz的噪聲。

　　EMI濾波器通常要削弱5次以上諧波來減少共用電源上其他電路引入的噪聲。然而如果測得的基礎(chǔ)噪聲頻率小于10MHz，設(shè)計時要濾掉9次諧波。

　　在該案例中，測的基礎(chǔ)噪聲主要在1MHz，測量帶寬是0~10MHz，包含9次諧波噪聲。PCB的供電電源輸出阻抗和直流輸入阻抗可用雙探針電路測量方法測出，這樣就可以設(shè)計出有效抑制EMI的濾波器。

　　1.1 雙探針測量法

　　圖2簡要地描述了雙探針測量供電電源輸出阻抗的基本理念。測量裝置如圖2（a）所示，供電電源串聯(lián)負(fù)載電阻R。2個探針分別接至矢量分析儀（VNA）（R&S ZVB8）的端口1和端口2上，并接入電路用于輸入和接收信號。正常工作時，供電電壓6V，輸出電流3mA.因此等效電路選取R=2kΩ。

　　為了減少電流負(fù)載引起的干擾，把2個電流探針的等效電路接入電路。通過把雙探針接入電路反映出的阻抗特性，等效電路如圖2（b）所示。雙探針的阻抗分別為ZM1和ZM2，LW和rW為等效電感和電阻，VM1為VNA端口1的等效電壓。

　　由圖2（b）知，環(huán)路電流為：

　　式中，Zsetup=ZR+ZM2+ZM1+rW+jωLW;ZX=ZPS。

　　環(huán)路中輸入信號的電壓為：

　　式中，M1為輸入探針與耦合環(huán)路的互感應(yīng)系數(shù);V1為VNA端口1的輸出電壓;Z1為端口1的輸出阻抗;ZP1為從端口1測得的探針阻抗。由接收探針測得的IW為：

　　這里V2為VNA端口2接收電壓，ZT2為由是制造商給出的接收探針阻抗，將式（2）和式（3）代入式（1），可求出供電電源的阻抗為：

　　為頻率特性參數(shù)。