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隔离式DC/DC转换器之极低噪声滤波器

供稿:RECOM Asia Pte. Ltd. 2020/2/19 17:51:07

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  • 关键词: DC/DC转换器
  • 摘要:所有隔离式DC/DC转换器都具有产生电噪声的开关器件。功率开关器件带感性负载时,比如变压器,就一定避免不了和功率开关器件的寄生电感或电容产生谐振的情况。在几百赫兹的中等开关频率下工作的DC/DC转换器可产生高达20MHz的噪声。这种高频干扰完全渗透在整个转换器中,在走线与走线之间穿梭,通过器件内的耦合电容从输入到输出之间跳跃。此外,输出端的脉冲能量的流动,在输出端口呈现出输出纹波和噪音,同时该噪音和纹波被变压器反射到输入端,形成原边的纹波电流。该脉冲电流在任何的感性元件中会产生低频电压,例如输入和输出的导线、PCB走线的长度、过孔或器件引脚。尽管可以通过在电源的原边和副边增加电容来降低输入和输出端电压纹波,但共模噪声很难全部滤掉,因为它们出现在输入或输出的两个端口,因此滤波器无法 “察觉” 到。(图1)。

所有隔离式DC/DC转换器都具有产生电噪声的开关器件。功率开关器件带感性负载时,比如变压器,就一定避免不了和功率开关器件的寄生电感或电容产生谐振的情况。在几百赫兹的中等开关频率下工作的DC/DC转换器可产生高达20MHz的噪声。这种高频干扰完全渗透在整个转换器中,在走线与走线之间穿梭,通过器件内的耦合电容从输入到输出之间跳跃。此外,输出端的脉冲能量的流动,在输出端口呈现出输出纹波和噪音,同时该噪音和纹波被变压器反射到输入端,形成原边的纹波电流。该脉冲电流在任何的感性元件中会产生低频电压,例如输入和输出的导线、PCB走线的长度、过孔或器件引脚。尽管可以通过在电源的原边和副边增加电容来降低输入和输出端电压纹波,但共模噪声很难全部滤掉,因为它们出现在输入或输出的两个端口,因此滤波器无法 “察觉” 到。(图1)。

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图1:DC/DC转换器的共模噪声 (节选自RECOM《DC/DC转换器知识手册及用户实用技巧》)

要设计一个非常低纹波和噪声的电源需要三个独立的滤波器,每个滤波器分别处理不同的干扰:

1:输出纹波滤波器。该滤波器可减少由变压器传输功率时引起的脉冲输出纹波。输出电容需要吸收每个开关周期产生的脉冲电流。在功率传输周期的间隙时间,输出电容必须给负载提供能量。输出电容上的电压随着每个开关周期上升和下降,因而具有锯齿波形状的图表特征(图2)。

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图2:DC/DC转换器的典型输出纹波和噪声波形

功率晶体管每次导通(Vce快速下降)或关闭(Vce快速上升)时由谐振引起的高频开关噪声叠加在该锯齿波上。因此,高频噪声与开关周期的波峰和波谷是同步的。

2:输入纹波滤波器。功率晶体管每次导通时输入电流迅速上升,每次关闭时电流会迅速下降。输入电容是不能滤除叠加了共模噪声的纹波电流,但电源输入端的噪声通常会低于输出端的噪声,这是因为电源的原边是低阻抗源,吸收了很多高频率噪声。典型的输入反射交流纹波电流如图3所示。

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图3:反射纹波电流

3:变压器是跨接在输入和输出之间的高阻抗源,因此开关噪声可以轻易地通过变压器绕组之间的层间电容耦合在变压器上。若要降低该噪声,可以在隔离带上安装一个电容以在输出和输入之间提供一条低阻抗的路径。

我们的任务是设计出一个输出纹波和噪声小于5mVp-p的隔离电源。在测量非常小的信号和高灵敏度放大器电路或高分辨率信号处理应用中,如24位模数转换器,就需要这种平滑的电源。

我们使用了R1ZX-0505 DC/DC转换器,输出经由板载线性稳压器进行调节,这样可以提供仅30mVp-p的低噪声输出。

第一步是在-Vout和+ Vin之间添加一个2nF电容。相对于变压器的100pF耦合电容,2nF电容的返回路径提供了更低的阻抗。该器件能大幅度降低输出噪声,但对输入或输出纹波的影响不大。

第二步是在输入和输出回路中增加电容。两个10μFMLCC并联以降低ESR并安装在输入和输出的两端。结果是输入和输出纹波大幅减少,但输出端的共模噪声仍然十分明显。输出波形如图4所示。

我们现在需要做的就是过滤掉这些高频开关尖峰,但是它们不容易被滤掉因为它们是共模的干扰,因此增加更多电容或LC滤波器不会有任何效果。

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图4:加抑制电容的输入和输出纹波波形

我们用共模样品盒尝试了不同的共模电感组合,直到找到最佳的解决方案。输入需要用50uH的扼流圈和一对电容形成Pi型滤波器。即使线性稳压器的CMRR很高,仍然需要严格控制输入纹波。在输出端放置一个类似的共模Pi滤波器,但最后发现一个10μH的扼流圈就已足够了(图5和图6)。

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C1 = C2 = C4 = C5 = 2x 10µF MLCC 10V

C3 = 陶瓷2nF 2kVDC 

L1 = 2x 51µH, 160mΩ, 300mA max., 共模扼流圈 WE 744212510

L2 = 2x 11µH, 180mΩ, 300mA max., 共模扼流圈WE 744242110

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图五:完整的滤波器设计

未滤波输出(仅用C3)

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滤波输出(带共模扼流圈)

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图六:滤波前后的输出波形(相同比例)

结论:使用共模滤波器测量满载时的输出纹波和噪声约为2mVp-p。更改任何器件的参数值会使数据变得更糟,因此这是最小的值。完整的滤波电路可能看起来比较复杂,但是要想滤掉所有不同的干扰源获得出色的低噪声电源(-68dB)就必须要这样设计。滤波电路所使用的器件体积很小,因此仅需占用很小的电路板空间。

审核编辑(王静)
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