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首席應用工程師 Jonathan Siegers 和應用工程師 Vamshi Domudala 撰寫的教程

如何設計模組化 DC DC 系統,第 2 部分:濾波器設計

DC-DC tutorial filter design image

本系列 上一篇教程 重點介紹了使用電源模組設計電源系統的性能、靈活性和速度優勢,然後概述了模組化設計流程。模組化設計策略非常強大,但它需要在供電網絡 (PDN) 中使用支持電路,才能形成完整的電源系統。本系列教程的第 2 部分解決了第一個 PDN 問題:在開關 DC-DC 模組的輸入輸出端過濾電氣噪聲。

Complete power system filtering elements image

降低開關轉換器噪聲需要的完整電源系統濾波元件。

輸入噪聲來源

分佈在 PDN 中的 DC-DC 轉換器及寄生電路元件的開關作用會導致兩類必須過濾的噪聲電流:共模和差模。

共模噪聲源於轉換器內部的高壓開關節點,通過寄生電容耦合至 EMI 接地基準。這種噪聲從轉換器的正負極輸入端同步傳出,通過系統的接地基準閉合。轉換器的開關作用也會產生差模噪聲,但只在轉換器輸入端之間的迴路中傳播。

EMI 輸入干擾問題及解決方案

如果不加以控制,這種噪聲會在電源系統中引發一系列問題。下圖顯示了兩個與 DC 電源共享一個通用耦合點的 DC-DC 轉換器,以及通常對噪聲非常敏感的控制及通信系統。DC-DC 轉換器產生的、在 PDN 中循環的噪聲,不僅會導致系統運行的不穩定性,而且還會對共用迴路的相鄰系統的整體性能產生不良影響。

Noise from the converter diagram

來自轉換器的噪聲傳播到模塊外,可能會對控制及通信系統造成嚴重問題。

添加至該系統的輸入濾波器可局部避開開關轉換器的噪聲,以便噪聲只在濾波器和 DC-DC 轉換器之間循環,從而可減少對連接到同一電源的其它系統的干擾。該濾波器也在相反的方向工作,這可降低 DC-DC 轉換器對外源噪聲的敏感性。

開始在系統中設計濾波器時,首先要注意的是,特定應用的濾波可能必須符合多個國際機構針對電磁兼容性 (EMC) 和 EMI 制定的特定電磁兼容性標準。標準可能因行業和應用的不同而有很大的差異;例如,國防應用合規性與汽車應用的合規性差異很大。

噪聲抑制技術需要幾款分立元件來有效濾除共模及差模噪聲電流。共模濾波通常使用共模扼流圈實現,其可爲共模電流形成高阻抗串聯通道,使其沿正負輸入端流出轉換器。共模扼流圈與 Y 型電容器一起工作,其可爲共模噪聲形成一個通往 EMI 接地的分流路徑,如下圖所示。

Discrete components image

過濾共模和差模噪聲的系統分立元件組件。

差模元件包括 X 型電容器和串聯差分電感器,可執行類似功能。這可確保爲來自轉換器的差模噪聲提供一個高阻抗的串聯路徑,爲噪聲電流提供一個低阻抗的分流路徑,以局部閉合至轉換器。

將噪聲電流路由至接地時,可能會通過信號和電源接地的錯誤連接將電源組件的噪聲耦合到控制組件中。DC-DC 轉換器傳播的高頻率噪聲在通過跟蹤寄生效應耦合到信號組件中時,會影響低功率控制信號,進而導致工作的不穩定性。要阻止電源電流流過信號接地,只能將信號接地與電源接地連接在一個點上。

濾波器拓撲

雖然構建濾波器拓撲有幾種不同的方法,但本教程只介紹更常見的濾波器二階響應,第一個是簡單的電感器和電容器。下圖是無阻尼 LC 濾波器對截止頻率每 10 倍變化的 -40dB 二階衰減的響應。無阻尼 LC 濾波器通常不是合適的解決方案,因爲它們的特徵共振在轉折頻率處。如果沒有適當的阻尼,這種濾波器拓撲就會在共振附近放大頻率範圍內的噪聲。有幾個阻尼策略可供考慮:首先是電阻器與電感器並聯的簡化串聯阻尼濾波器電路。轉角頻率處的阻尼要好很多,但它是以降低高頻率衰減爲代價的,因爲在濾波器的頻率響應中增加了一個零。

Three damping approaches diagram

與在 -40dB 位置顯示二階衰減的系統中的無阻尼 LC 濾波器相比,有 3 種阻尼方案。

第二種更好的方法是增加一個電感器,有選擇地將阻尼電阻應用到電路中,保持二階濾波器與諧振頻率附近改進的阻尼的響應。然而,這種方法對轉角頻率會有輕微的改變。第三種選擇是增加一個並聯的 R-C 阻尼支路,這可顯著增加濾波器轉角頻率附近的阻尼。

輸出濾波器設計

要設計輸出濾波器,首先要定義應用容許的輸出電壓紋波大小。接下來,請考慮負載電流的動態,包括高 di/dt 負載瞬態。在處理高動態負載的 DC-DC 系統設計的幾個部件中,由於其串聯電感的原因,提供該負載的轉換器輸出濾波器具有最直接的影響。定義負載的最大 di/dt 值之後,就可以爲系統中使用的電感器最大值設定限制。以下方程式用於確定負載 di/dt 中的電感值因數以及瞬態過程中允許通過該電感器的最大壓降,即負載位置的低線路輸入工作電壓。

Vicor-article-featured-image-design-DC-DC-filters-eq1.png

接下來,選擇合適的電感器後,根據紋波以及輸出端需要的衰減量來確定濾波器的截止頻率。可用以下方程式,根據這些信息,求出電容值:

Vicor-article-featured-image-design-DC-DC-filters-eq2.png

物理屬性與實施注意事項

DC-DC 開關轉換器當前的工作頻率非常高,高到設計佈局中的寄生電容和電感可對轉換器系統中的濾波器整體性能產生很大影響。

一般來說,在實際佈局中,EMI 濾波器應該靠近轉換器本身。下圖是濾波電容直接佈置在輸入端的 DC-DC 轉換器。由於接近轉換器,因此噪聲電流在局部循環。如果允許噪聲電流在更大的空間內循環,環路路徑很容易成爲高頻率天線,將噪聲輻射到電路的其它部分,完全抵消了增加濾波器的優勢。因此,串聯濾波器元件和分流濾波器元件都應該儘量靠近 DC-DC 轉換器,限制環路的尺寸,以免出現高頻率和高 di/dt 電流。

PCB layout considerations image

PCB 佈局注意事項包括將濾波器組件佈置在接近 DC-DC 轉換器的位置(左)。將銅箔層分開,以免出現電容耦合,這允許噪聲電流繞過高阻抗濾波器組件(右)。

PCB 的佈局也很重要。要注意攜帶噪聲電流,使其整體電感和電阻最小的跡線,這樣在高頻率下,它們就不會因爲其阻抗而形成明顯的電壓。

此外,在 PCB 上佈置各層,可以避免形成允許耦合效應繞過濾波元件的寄生電容。例如,如果定義濾波器電感器終端連接的銅箔層靠得太近,寄生電容將允許高頻率電流繞過高阻抗電感器。最好是將銅箔層分開,以減少高串聯阻抗組件周圍的寄生電容。

這個概念同樣也適合共模扼流圈。在共模扼流圈周圍保持一個隔離區域,以防止將繞過濾波器組件的寄生電容。

在波動的環境或應用相關條件下,濾波組件的性能可能變化很大。例如,2 類介質陶瓷電容器的有效值隨應用的 DC 偏置電壓的變化非常明顯。下面的 DC 偏置特徵圖在一個尺寸爲 1206 的 MLCC 組件上演示了這種效果;在應用偏置電壓爲 50V 時,有效電容可降低 74%。有效電容的這一變化將增加濾波器的轉折頻率,從而可降低在高頻率下實現的衰減。

DC bias characteristics image

DC 偏置特徵(左)和溫度特徵(右):電壓和溫度對有效電容的影響是濾波器設計的重要考慮因素。DC 偏置特徵可顯著改變村田 2 類介質陶瓷電容器的電容(左),在額定溫度範圍的極端溫度下,電容明顯降低(右)。數據來源:村田製造有限公司

此外,工作溫度對有效電容也有明顯的影響。以上溫度特徵圖顯示,同一示例電容器工作在其額定工作溫度範圍的極端溫度下時,有效電容會銳降 20%。DC-DC 模塊的穩定濾波解決方案必須在系統的整個預期工作範圍內考慮預期組件變化的影響。

總結

將輸入濾波器集成到系統中,將會爲整體系統穩定性帶來更大的挑戰。本系列 下一篇教程 將討系統設計的這個方面。

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