開關電源幾乎用(yòng)于所有電子設備中。它們由于尺寸小、成本低和(hé)效率高(gāo)而具有極高(gāo)的(de)價值。但是，它們最大(dà)的(de)缺點就是高(gāo)開關瞬态導緻高(gāo)輸出噪聲。這(zhè)個(gè)缺點使它們無法用(yòng)于以線性穩壓器供電爲主的(de)高(gāo)性能模拟電路中。實踐證明(míng)，在很多(duō)應用(yòng)中，經過适當濾波的(de)開關轉換器可(kě)以代替線性穩壓器從而産生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的(de)苛刻應用(yòng)中，上遊電源樹的(de)某個(gè)地方也(yě)有可(kě)能存在開關電路。因此，有必要設計經過優化(huà)和(hé)阻尼處理(lǐ)的(de)多(duō)級濾波器，來(lái)消除開關電源轉換器的(de)輸出噪聲。此外，了(le)解濾波器設計如何影(yǐng)響開關電源轉換器的(de)補償也(yě)很重要。
本文示例電路将采用(yòng)升壓轉換器，但結果可(kě)以直接應用(yòng)于任意DC-DC轉換器。圖1所示爲升壓轉換器在恒定電流模式(CCM)下(xià)的(de)基本波形。
多(duō)種開關電源輸出濾波器技術介紹及如何影(yǐng)響開關電源轉換器的(de)補償
圖1. 升壓轉換器的(de)基本電壓和(hé)電流波形
輸出濾波器對(duì)升壓拓撲或其它任何帶有斷續電流模式的(de)拓撲之所以重要，是因爲它在開關B内電流具有快(kuài)速上升和(hé)下(xià)降時(shí)間。這(zhè)會導緻激勵開關、布局和(hé)輸出電容中的(de)寄生電感。其結果是，在實際使用(yòng)中，輸出波形看上去更像圖2而非圖1，哪怕布局布線良好并且使用(yòng)陶瓷輸出電容。
圖2. DCM中升壓轉換器的(de)典型測量波形
由于電容電荷的(de)變化(huà)而導緻的(de)開關紋波(開關頻(pín)率)相比輸出開關的(de)無阻尼振鈴而言非常小，下(xià)文稱爲輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲範圍爲10 MHz至100 MHz以上，遠(yuǎn)超出大(dà)部分(fēn)陶瓷輸出電容的(de)自諧振頻(pín)率。因此，添加額外的(de)電容對(duì)噪聲衰減的(de)作用(yòng)不大(dà)。
還(hái)有很多(duō)各類濾波器适合對(duì)此輸出濾波。本文将解釋每一種濾波器，并給出設計的(de)每一個(gè)步驟。文中的(de)公式并不嚴謹，且做(zuò)了(le)一些合理(lǐ)的(de)假設，以便一定程度上簡化(huà)這(zhè)些公式。仍然需要進行一些叠代，因爲每一個(gè)元件都會影(yǐng)響其它元件的(de)數值。ADIsimPower設計工具利用(yòng)元件值(比如成本或尺寸)的(de)線性化(huà)公式在實際選擇元件前進行優化(huà)，然後從成千上萬器件的(de)數據庫中選出實際元件後對(duì)其輸出進行優化(huà)，從而避免了(le)這(zhè)個(gè)問題。但在剛開始進行設計時(shí)，這(zhè)種程度的(de)複雜(zá)性是沒有必要的(de)。通(tōng)過提供的(de)計算(suàn)公式，使用(yòng)SIMPLIS仿真器——比如免費的(de)ADIsimPE™——或者在實驗室工作台上花費一些時(shí)間，就能以最少的(de)精力得(de)到滿意的(de)設計。
開始設計濾波器前，考慮一下(xià)單級濾波器RC或LC濾波器可(kě)以做(zuò)什(shén)麽。通(tōng)常采用(yòng)二級濾波器可(kě)以合理(lǐ)地将紋波抑制到幾百μV p-p範圍内，并将開關噪聲抑制在1 mV p-p 以下(xià)。降壓轉換器噪聲較低，因爲電源電感提供了(le)很好的(de)濾波能力。這(zhè)些限制是因爲，一旦紋波降低至μV級别，元件寄生和(hé)濾波器級之間的(de)噪聲耦合便開始成爲限制因素。如果使用(yòng)噪聲更低的(de)電源，則需添加三級濾波器。然而，開關電源的(de)基準電壓源一般不是噪聲最低的(de)元件，并且常常受到抖動噪聲的(de)影(yǐng)響。這(zhè)些都導緻了(le)低頻(pín)噪聲(1 Hz至100 kHz)，通(tōng)常不易濾除。因此，對(duì)于極低噪聲電源而言，使用(yòng)單個(gè)二級濾波器然後在輸出端添加一個(gè)LDO可(kě)能更合适。
在更詳細地介紹各類濾波器的(de)設計步驟前，部分(fēn)在設計步驟中使用(yòng)的(de)各類濾波器的(de)數值定義如下(xià)：
ΔIPP: 進入輸出濾波器的(de)峰峰值電流近似值。爲方便計算(suàn)，假定是正弦信号。數值取決于拓撲。對(duì)于降壓轉換器而言，它是電感中的(de)峰峰值電流。對(duì)于升壓轉換器而言，它是開關B(通(tōng)常是一個(gè)二極管)中的(de)峰值電流。
ΔVRIPOUT : 轉換器開關頻(pín)率處的(de)輸出電壓紋波近似值。
RESR: 所選輸出電容的(de)ESR。
FSW : 轉換器開關頻(pín)率。
CRIP: 輸出電容的(de)計算(suàn)中，假定所有ΔIPP 流入其中。
ΔVTRANOUT: ISTEP施加于輸出時(shí)，VOUT 的(de)變化(huà)。
ISTEP:輸出負載的(de)瞬時(shí)變化(huà)。
TSTEP: 轉換器對(duì)于輸出負載瞬時(shí)變化(huà)的(de)近似響應時(shí)間。
Fu: 轉換器的(de)交越頻(pín)率。對(duì)于降壓轉換器而言，其值通(tōng)常爲FSW ⁄10。對(duì)于升壓或降壓/升壓轉換器而言，它通(tōng)常位于右半平面零點(RHPZ)約1/3位置處。
