如何設(shè)計(jì)隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的極低噪聲濾波器

所有隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器都有產(chǎn)生電噪聲的開關(guān)器件。當(dāng)功率開關(guān)器件帶感性負(fù)載（如變壓器）時(shí)，就一定避免不了與功率開關(guān)器件的寄生電感或電容發(fā)生諧振。在幾百赫茲的中等開關(guān)頻率下工作的DC/DC轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生高達(dá)20MHz的噪聲。

這種高頻干擾完全滲透在整個(gè)轉(zhuǎn)換器中，在走線與走線之間穿梭，通過器件內(nèi)的耦合電容從輸入到輸出之間跳躍。此外，輸出端的脈沖能量的流動(dòng)，在輸出端口呈現(xiàn)出輸出紋波和噪音，同時(shí)該噪音和紋波被變壓器反射到輸入端，形成原邊的紋波電流。該脈沖電流在任何的感性元件中會(huì)產(chǎn)生低頻電壓，例如輸入和輸出的導(dǎo)線、PCB走線的長度、過孔或器件引腳。盡管可以通過在電源的原邊和副邊增加電容來降低輸入和輸出端電壓紋波，但共模噪聲很難全部濾掉，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在輸入或輸出的兩個(gè)端口，因此濾波器無法“察覺”到。（圖1）。

圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器的共模噪聲（節(jié)選自DC/DC知識(shí)手冊(cè)1）

要設(shè)計(jì)一個(gè)非常低紋波和噪聲的電源需要三個(gè)獨(dú)立的濾波器，每個(gè)濾波器分別處理不同的干擾：

1：輸出紋波濾波器。該濾波器可減少由變壓器傳輸功率時(shí)引起的脈沖輸出紋波。輸出電容需要吸收每個(gè)開關(guān)周期產(chǎn)生的脈沖電流。在功率傳輸周期的間隙時(shí)間，輸出電容必須給負(fù)載提供能量。輸出電容上的電壓隨著每個(gè)開關(guān)周期上升和下降，因而具有鋸齒波形狀的圖表特征（圖2）。

圖2：DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型輸出紋波和噪聲波形

功率晶體管每次導(dǎo)通（Vce快速下降）或關(guān)閉（Vce快速上升）時(shí)由諧振引起的高頻開關(guān)噪聲疊加在該鋸齒波上。因此，高頻噪聲與開關(guān)周期的波峰和波谷是同步的。

2：輸入紋波濾波器。功率晶體管每次導(dǎo)通時(shí)輸入電流迅速上升，每次關(guān)閉時(shí)電流會(huì)迅速下降。輸入電容是不能濾除疊加了共模噪聲的紋波電流，但電源輸入端的噪聲通常會(huì)低于輸出端的噪聲，這是因?yàn)殡娫吹脑吺堑妥杩乖?，吸收了很多高頻率噪聲。典型的輸入反射交流紋波電流如圖3所示。

圖3：反射紋波電流

3.變壓器是跨接在輸入和輸出之間的高阻抗源，因此開關(guān)噪聲可以輕易地通過變壓器繞組之間的層間電容耦合在變壓器上。若要降低該噪聲，可以在隔離帶上安裝一個(gè)電容以在輸出和輸入之間提供一條低阻抗的路徑。

我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)出一個(gè)輸出紋波和噪聲小于5mVp-p的隔離電源。在測(cè)量非常小的信號(hào)和高靈敏度放大器電路或高分辨率信號(hào)處理應(yīng)用中，如24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，就需要這種平滑的電源。

我們使用了R1ZX-0505DC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出經(jīng)由板載線性穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以提供僅30mVp-p的低噪聲輸出。

第一步是在-Vout和+Vin之間添加一個(gè)2nF電容。相對(duì)于變壓器的100pF耦合電容，2nF電容的返回路徑提供了更低的阻抗。該器件能大幅度降低輸出噪聲，但對(duì)輸入或輸出紋波的影響不大。

第二步是在輸入和輸出回路中增加電容。兩個(gè)10μFMLCC并聯(lián)以降低ESR并安裝在輸入和輸出的兩端。結(jié)果是輸入和輸出紋波大幅減少，但輸出端的共模噪聲仍然十分明顯。輸出波形如圖4所示。

我們現(xiàn)在需要做的就是過濾掉這些高頻開關(guān)尖峰，但是它們不容易被濾掉因?yàn)樗鼈兪枪材５母蓴_，因此增加更多電容或LC濾波器不會(huì)有任何效果。

圖4：加抑制電容的輸入和輸出紋波波形

我們用共模樣品盒嘗試了不同的共模電感組合，直到找到最佳的解決方案。輸入需要用50uH的扼流圈和一對(duì)電容形成Pi型濾波器。即使線性穩(wěn)壓器的CMRR很高，仍然需要嚴(yán)格控制輸入紋波。在輸出端放置一個(gè)類似的共模Pi濾波器，但最后發(fā)現(xiàn)一個(gè)10μH的扼流圈就已足夠了（圖5和圖6）。

圖五：完整的濾波器設(shè)計(jì)

未濾波輸出（僅用C3）

濾波輸出（帶共模扼流圈）

圖六：濾波前后的輸出波形（相同比例）

結(jié)論：在滿載時(shí)，共模濾波器測(cè)得的輸出紋波和噪聲約為2mVp-p。更改任何設(shè)備的參數(shù)值都會(huì)使數(shù)據(jù)變得更差，因此這是最小值。完整的濾波電路可能看起來很復(fù)雜，但是要想濾掉所有不同的干擾源獲得出色的低噪聲電源（-68dB）就必須要這樣設(shè)計(jì)。濾波電路中使用的器件體積很小，所以只需要占用很小的電路板空間。