如何使用共模滤波器从后级应对开关电源噪声

2023-09-08  来自: 西安秋实电子技术有限公司 浏览次数:259

在使用电容、电感、磁珠之后,实际上电源用共模电感也是开关电源后级降噪特别有效的器件,虽然有效,但是受限于价格和体积,电源方面使用不算特别广泛,即使如此,对关键部分的供电仍建议预留电源用共模电感的位置。

1.电感的频率特性

从严格意义上讲,共模滤波器并不是电感器,而是磁性器件,是降噪中的重要部件。如图9-1所示共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上,相当于两个电感组合在一起。当绕组中流过电流时,磁芯产生磁通,针对急剧的电流变化,起到使共模电流不易流通(扼流)的作用,从而消除共模噪声,这与电感的自感作用相同。

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共模滤波器可以基本上实现“共模电流不流通、差模电流流通”的作用,如图9-2,关键在于这两根导线沿同一方向绕在一个磁芯上。差模电流是在两根导线上往复流动,因此磁芯产生的磁通方向相反,磁通抵消,不能起到扼流作用,而是直接通过。

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相比之下,共模电流的流向相同,因此磁通量增强,电流不易流过,也就是说,共模电流=共模噪声难以通过,从而被滤除,下图9-3是作为开关电源的输入滤波器使用的示例。

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将共模滤波器插入电源输入线路中,如图9-3所示,与用于信号线的共模滤波器相比,用于电源线的共模滤波器使用差模阻抗较大的分裂绕组结构。这些产品一般作为电源线用共模滤波器,其差模噪声消减效果优异。但是,由于几百k~几MHz 左右的差模阻抗非常低,因此一般与型滤波器等差模噪声用的滤波器并用,共模滤波器对于消除共模噪声来说是必不可少的配置。

2.LC滤波器布局

当使用电感或铁氧体磁珠组成滤波器时,某些部件配置和PCB布线布局,不仅不能获得足够的噪声去除效果,反而还可能导致噪声耦合,使情况更加恶化。

串扰

串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感,噪声与相邻的其他电路板布线耦合(传送门:EMC-3:噪声的传输和放大),有些PCB板布线布局,会因串扰而导致滤波效果下降,下图9-4是LC滤波器的图形布局和部件配置带来的串扰。

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在图9-4的布局示例中,Vin线路中有LC滤波器,滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻,因此噪声因串扰而耦合,滤波效果下降。

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图9-5为建议的布局样式,采用不与含有噪声的线路相邻的布局,从而可将噪声耦合控制在最 低限度内。(串扰的影响使滤波器的效果减小,布局要能够发挥滤波器的效果)

地线反 弹噪声

从图9-4的示例中可以看出,在组成型滤波器的电感前后所配置的电容器,其某些接地方式可能会带来地线反 弹噪声。在图9-6示例,如箭头所示,来自接地线的噪声经由电容回流,并去到了滤波器外面。(使用了消除高频噪声用的铁氧体磁珠,使用π型滤波器时,噪声源自GND)

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在这种情况下,为了避免噪声直接传播,可利用增加过孔(Via)的寄生电感的方法,经由过孔(Via)与接地平面连接,改善效果较好。

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在开关电源电路中,PCB布局是非常重要的。

3.回顾

由绕线型电感构成滤波器

1:普通电感构成的滤波器,可选电感值的范围较宽。

2:由电感构成的型滤波器,在低频段,通过电感和电容发挥低通滤波器的作用。

3:到了高频段,由于电感会表现为电容、电容会表现为电感,从而型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果。

铁氧体磁珠的阻抗特性

1:虽然铁氧体磁珠被归类为电感,但其频率-阻抗特性与普通电感不同。

2:铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性,因此可利用该特性消除噪声。

3:普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响。

4:铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移,滤波特性产生变化。

使用铁氧体磁珠降低噪声

1:铁氧体磁珠的Q值较低,因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。

2:铁氧体磁珠在低频段基本上发挥低通滤波器的作用,在这个频段,对于直流电流容易饱和,因此使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。

3:当电抗下降且越过与电阻分量的交越点时,铁氧体磁珠发挥电阻的作用,可将噪声转变为热。

4:使用了铁氧体磁珠的滤波器,不仅可将噪声旁路消除,还可将噪声转变为热,因此实现优异的噪声消除性能。

5:发挥电阻功能且将噪声转变为热,是与使用绕线型电感的滤波器之间的巨大差异。

6:在更高频段,则与绕线型电感相同,发挥高通滤波器的作用。

3.关于RC缓冲电路的补充

为了降低开关节点产生的尖峰电压,可考虑增加RC缓冲电路(传送门:DC-DC-20:如何设计缓冲电路去除DC-DC的开关节点噪声),整流二极管(同步开关MOS)OFF(高边开关ON)时,RC缓冲电路可将二极管的接合部、寄生电感、寄生电容、PCB版图的电感中积蓄的电荷放电,并通过电阻转换为热,从而降低尖峰电压。

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RC的值通常以R=2Ω、C=470pF左右为起点,通过实际确认来找出最 佳值。需要注意的是,增加缓冲电路会导致开关转换变慢,效率下降,所以需要探讨噪声水平和效率之间的平衡点。另外,前提是电阻将噪声电压转换为热,所以需要注意电阻的容许损耗,缓冲电路不仅可用于低边侧,在高边侧也可以使用。

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