利用滤波器防止开关电源噪声

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来源：东莞市成良智能科技发布时间：2019-07-31 点击量：1333

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。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。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。此外，了解滤波器设计如何影响开关电源转换器的补偿也很重要。
开关电源的输出滤波器对升压拓扑或其它任何带有断续电流模式的拓扑之所以重要，是因为它在开关B内电流具有快速上升和下降时间。这会导致激励开关、布局和输出电容中的寄生电感。

由于开关电源的电容电荷的变化而导致的开关纹波（开关频率）相比输出开关的无阻尼振铃而言非常小，下文称为输出噪声。一般而言，此输出噪声范围为10 MHz至100 MHz以上，远超出大部分陶瓷输出电容的自谐振频率。因此，添加额外的电容对噪声衰减的作用不大。

开始设计滤波器前，考虑一下单级滤波器RC或LC滤波器可以做什么。通常采用二级滤波器可以合理地将纹波抑制到几百μV p-p范围内，并将开关噪声抑制在1 mV p-p 以下。降压转换器噪声较低，因为开关电源电感提供了很好的滤波能力。这些限制是因为，一旦纹波降低至μV级别，元件寄生和滤波器级之间的噪声耦合便开始成为限制因素。如果使用噪声更低的电源，则需添加三级滤波器。然而，开关电源的基准电压源一般不是噪声最低的元件，并
且常常受到抖动噪声的影响。这些都导致了低频噪声（1 Hz至100 kHz），通常不易滤除。因此，对于极低噪声开关电源而言，使用单个二级滤波器然后在输出端添加一个LDO可能更合适。

在更详细地介绍各类滤波器的设计步骤前，部分开关电源在设计步骤中使用的各类滤波器的数值定义如下：
进入输出滤波器的峰峰值电流近似值。为方便计算，假定是正弦信号。数值取决于拓扑。对于降压转换器而言，它是电感中的峰峰值电流。对于升压转换器而言，它是开关B（通常是一个二极管）中的峰值电流。转换器开关频率处的输出电压纹波近似值。
所选输出电容的ESR。
转换器开关频率。
输出电容的计算中，假定所有ΔIPP 流入其中。
ISTEP施加于输出时，VOUT的变化。
输出负载的瞬时变化。
转换器对于输出负载瞬时变化的近似响应时间。
转换器的交越频率。对于降压转换器而言，其值通常为FSW?10。对于升压或降压/升压转换器而言，它通常位于右半平面零点（RHPZ）约1/3位置处。

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