電源濾波設計關鍵基礎精華集錦

　　天線陣列和濾波器常常通過改變鈦酸鋇鍶（BST）電容上的電壓來進行調諧。將這種鐵電材料應用于電容時，只需施加一個電壓，即可導致其晶體結構發生細小的變化，從而改變其介電常數，電容值因而隨之改變。相比于傳統的變容二極管，電子可調諧BST電容能夠處理更高的功率和更大的信號幅度。

　　在典型應用中，調諧電容可補償器件容差，調整濾波器的截止頻率，或者匹配可調諧天線的網絡阻抗。BST電容的調諧是通過施加0 V至30 V的電壓來實現?，F代電子器件所用的電源電壓呈現越來越低的趨勢，3.3 V、2.5 V甚至1.8 V電源已成為常用電源，尤其是在電池供電的應用中。如果僅僅針對這一功能而增加一個單獨的電源，盡管可以獲得調諧的好處，但并不總是值得這樣做。因此，需要一種簡便的方法來產生所需電源。

　　以此應用為例，假設電源電壓為3 V，但為了完全控制BST電容，需要20 V以上的電壓。兩個主要電路模塊分別是升壓開關轉換器ADP1613和高壓DAC AD5504。圖1所示電路可產生高達30 V的DAC輸出電壓。DAC輸出設置BST電容的偏置電壓，從而調整天線響應。

　　圖1. 升壓電源和高壓DAC為BST電容提供調諧信號

　　ADP1613是一款升壓DC-DC開關轉換器（圖4），集成了功率開關，能夠提供高達20 V的輸出電壓。通過使用外部器件，它可以輸出更高的電壓。如圖所示，ADP1613從3 V輸入產生32 V輸出。ADIsimPower™工具可以幫助設計人員根據輸入要求輕松確定適當的器件。

　　ADP1613的32 V輸出為四通道12位高壓DAC AD5504（圖5）供電，而該DAC的四路輸出各自可以提供最高60 V的電壓。R_SEL引腳上的電壓決定其滿量程輸出。在此應用中，R_SEL連接到VDD，從而將滿量程輸出設置為30 V。DAC寄存器通過3 V兼容串行接口進行更新。利用脈沖將負載引腳（LDAC）拉低，可以同時更新所有四個DAC，因此可以同時改變四個BST電容。

　　圖2所示為一個用作可調諧匹配網絡的BST電容的等效電路。圖3顯示了BST電容與電壓的傳遞函數以及天線響應。BST電容可以從Agile RF等供應商處購得。

　　圖2. BST電容等效電路

　　圖3. 偏置電壓與BST電容的關系以及相應的天線響應

　　圖4. ADP1613功能框圖

　　圖5. AD5504功能框圖

　　諸如圖1所示的電路對目前正受到兩種對立要求夾擊的新一代移動電話有利。一方面一如既往地需要減小尺寸和功耗，而另一方面又需要提高性能，以便通過在更小的體積中安裝更多天線和無線電系統來利用更多的頻段。就體積和效率而言，天線設計人員漸已達到物理設計的極限，一旦縮小天線體積，效率即會下降?？烧{諧天線解決了多頻段、多模式手機中的這一問題，并且能夠擴展手機的工作頻率范圍，例如從美國GSM850切換到歐洲GSM900，同時尺寸和效率保持不變。在多用途設備中，發送短信、通話或瀏覽網絡會涉及到不同的頭部和手部位置，這會給天線提供不同的負載阻抗，導致天線失諧和信號質量下降?？烧{諧阻抗匹配網絡則能根據條件變化隨機應變，恢復失諧的信號。
升壓DC/DC開關轉換器工作頻率為650 kHz/1300 kHz

　　ADP1613升壓轉換器采用2.5 V至5.5 V單電源供電，卻能夠提供150 mA以上的電流和高達20 V的電壓。通過將一個2 A、0.13 ？功率開關與一個電流模式脈寬調制調節器集成在一起，其輸出隨輸入電壓、負載電流和溫度變化而改變的幅度不到1%。工作頻率可通過引腳選擇，并可通過優化實現高效率或最小外部元件尺寸：650 kHz時，其效率可達到90%;1.3 MHz時，其電路能夠以最小空間實現，因而非常適合便攜式設備和液晶顯示器中的空間受限環境。可調軟啟動電路可將浪涌電流降至最小，從而確保安全、可預測的啟動條件。ADP1613在開關狀態下的功耗為2.2 mA，在非開關狀態下的功耗為700 ？A，而在關斷模式下的功耗為10 nA。它采用8引腳MSOP封裝，額定溫度范圍為–40℃至+85℃，千片訂量報價為0.70美元/片。

　　四通道12位DAC提供高壓輸出

　　四通道12位高壓DACAD5504提供引腳可選的0 V至30 V或0 V至60 V輸出范圍。該器件功能完整，內置精密基準電壓源、溫度傳感器、四個雙緩沖DAC和四個高壓放大器。上電時，數字部分使能并設置為已知狀態，模擬部分則保持禁用狀態，直到通過SPI端口發出上電命令。如果芯片溫度超過110°C，溫度傳感器將斷開模擬輸出，并設置一個報警標志。在30 V模式下，AD5504的最大微分非線性（DNL）額定值為1 LSB，而最大積分非線性（INL）額定值為3 LSB。它采用10 V至62 V和2.3 V至5.5 V電源供電，正常模式下的功耗為2 mA，而掉電模式下的功耗為30 mA。它采用16引腳TSSOP封裝，額定溫度范圍為–40℃至+105℃。

　　七、濾波器選擇需注意的十個問題

　　近期接觸幾位技術工程師朋友在選用濾波器，發現了不少有意思的問題，才發現波平浪靜處水最險，簡曰“燈下黑”。于是才斗膽誕生此文。

　　1、如果未經過對儀器的EMI、EMS指標測試就選定了濾波器，基本上屬于“盲人騎瞎馬、夜半臨深池”的主兒；

　　2、如果機器上選擇的是一個市面上買來的通用濾波器，這個濾波器基本上是可以不加的；

　　3、濾波器8分定制、2分通用才算比較靠譜。

　　下此結論的原因是因為最近遇到的好幾起事情，都加了濾波器，但傳導就是不過，最后還是根據測試結果給設計了個濾波器樣品，一裝上ok才算pass，其實設計本身也并不復雜，不過多加了一級差模電容和差模電感、或調整了一下濾波器電感電容的參數而已。通用型的IEC插座濾波器，里面的空間很小，一般只能放得下2個共模電容、一個差模電容和一個共模電感，靠這點東西就能放之四海而皆準，難度莫大焉。

　　那濾波器應如何選型？

　　第一種是預知曉（起碼是估計）需濾掉的雜波頻點或頻段和強度，然后提出對濾波頻段的衰減要求，將此要求提給廠家，由廠家給您設計一款適用的濾波器。

　　第二種是先設計產品，結構空間上預留出裝濾波器的位置，等產品裝好后進行測試，根據測試的結果確定濾波器的濾除頻點和衰減特性。

　　除此二者外，基本上沒有其他的方法能有效地選好濾波器。

　　案例1：

　　如低頻無極燈產品，整流器開關頻率220KHz，此頻率是干擾的基頻，其他干擾頻率基本都是此頻點的高次諧波，在起初設計時，就可以根據預估給出濾波器的要求來，220KHz頻點時，共模插損ILCM=60dB 差模插損ILDM=60dB，根據這個要求，濾波器廠家就可以設計出濾波器來。

　　如手術室用監護儀，與手術刀在共同的環境下使用，手術刀的頻率是500KHz，可以根據預估給出對濾波器的要求，500KHz頻點時，共模插損ILCM=70dB 差模插損ILDM=70dB，根據這個要求，濾波器廠家就可以設計出濾波器來。

　　插損這個指標，行規是在50Ω的標準負載下測得的，但實際電路中，阻抗匹配的不可能這樣標準，因此，插損的指標在使用會打些折扣。所以預估時要求指標要高些。

　　案例2：某產品未加濾波器時的測試結果，畫黑圈的是兩個主要的超標頻點，最左側的點是213KHz，超標7dB左右，右面一個是它的高次諧波，可以不必理它，213K濾掉了，那個也就跟著消除了。

　　作為電子設計工程師，能預估出、或能測出預定的干擾頻率和提出擬衰減的指標來，這就夠了。

　　濾波器有多種，做儀器設備中常用到的是電源濾波器和信號濾波器。其他類型的作無功功率補償的電力濾波器、微波頻段的濾波器不是這里討論的內容。

　　濾波器的選擇需要考慮以下多點：

　　1.電壓

　　這個電壓值要求是一個范圍，是穩態電壓±紋波電壓的綜合。

　　2.電流

　　電流的指標很關鍵，它決定了濾波器內部的電感的繞組銅線和引出線的線徑。如果選細了，細導線上跑大電流，如小馬拉大車，會引起嚴重發熱以至燒毀。這個電流也是一個范圍，穩態電流+波動電流的最大值。

　　3.電磁兼容標準要求

　　既然是濾波器，為的就是濾掉一些不期望的頻段，而濾除的效果一般是由EMC測試標準和現場應用的直觀結果來確定。尤其是電源濾波器，最好能確定用此濾波器的產品需要通過的是哪個標準，根據標準要求的不同，在選擇時也有其特定的測試頻段要求。

　　電源濾波器的主要針對指標是傳導發射CE和傳導抗擾CS，信號濾波器的則主要看EMC標準里對不期望輸入頻段和不期望輸出頻段的要求了。

　　比如無極燈用的整流器，本身就是一個開關工作狀態，會有對外的發射，EMC測試時候會重點檢查其開關頻率以及其高次諧波成分的傳導干擾，濾波器就需要針對這些特定頻段或頻點具有足夠的濾除效果。

　　4.安規標準要求

　　讀者可能會覺得奇怪，選濾波器，說安規標準干啥？這是因為濾波器一般用在電源輸入端和板卡的接口處，這些部位都是安規問題的重災區。等于是濾波器一身承擔了多個要求。與濾波器有關的安規重點是三個指標：絕緣耐壓、漏電流、剩余電壓剩余能量。

　　絕緣耐壓打LN對地的絕緣強度，考驗的是Y電容的耐壓值，Y電容大了，漏電流就會大，容易導致安規要求上的漏電流超標，現在有部分廠家設計上就采取了輸入端無Y電容設計（如圖）。這樣LN對G就成了LN通過L1、Cy1、Cy2、G’對G了，而G和G’是不連的。如果采用了輸入端接Y電容的方式，即將Cy1和Cy2放到前面R的左面來，則測試時須注意絕緣耐壓的設定和漏電流的大小是正相關的，最高不超過20mA。曾經遇到過差點被退貨說濾波器安規不合格的情況，最后經查是1500V時漏電流設定為2mA（應為5mA），測試儀器報警就是正常的了。

　　另一個問題就是R的選擇，有好多廠家的濾波器沒裝這個電阻，在拔掉插頭后，在較短的時間內，去摸電源的插口，如果會有被電的感覺，問題就出在沒裝這個電阻上。這是個高耐壓、起泄放電作用的功率電阻。

　　5.濾波器電路結構形式

　　電路結構形式和期間的參數選擇是濾波器的核心，但就是在這一部分，應用工程師的選擇常常兩眼一摸黑著選，雖然大多時候也差不多可以用，但既不知己也不知彼的設計方式，浪費資源、埋留隱患的可能性就大大增加。這在需要精益設計、從中國制造到中國創造的電子制造業，從初級工程師向資深工程師的成長期望上來說，都是不合時宜的。

　　濾波器的作用是對通過其的不同頻率有不同的放大效果，對通帶內頻段的則不衰減，對通帶外要抑制的則以幾十個dB的級別進行衰減，從而達到過篩子的目的。但就是濾波器在對不同頻率的電壓幅值采取不同放大倍數的時候，電磁波的相位也在發生變化，因為相位也是和頻率有關的，所以濾波器結構形式的選取，也還是有些學問的。

　　濾波器結構形式常用的是三種：

　　a.巴特沃思濾波器：特點是通帶內放大倍數平整，通帶內，隨著頻率的變化，濾波器放大倍數基本維持不變；但缺點是通帶向截止段的過渡段，過渡的較為平緩。意思是說，敵人和朋友的界限不是很清楚，有一部分朋友也在干著敵人的事情，有一部分敵人也在幫我們，對這一部分是殺掉還是留在組織里，讓人很糾結。如果有用頻率和干擾頻率離得很近，這種濾波器的作用就很有問題。

　　b.切比雪夫濾波器：它可以很好的解決巴特沃思過渡帶平緩的缺點，在這種形式的濾波器中，過渡帶很陡峭，即使有用頻率和干擾頻率很近，因為過渡帶很陡峭，所以其截止頻率點前后兩個頻段放大倍數的差別很大，非友即敵，很好區分，是朋友就沒干過對不起我們的事，是敵人的就沒干過對我們好的事，所以朋友拉入組織優厚待遇，是敵人則干凈利落的消滅之。高山之側必有深谷，一個優點必然伴隨著一個缺點，切比雪夫濾波器的缺點是在通帶頻率的末端部分，放大倍數會有較強的波動，即在通帶內，隨著頻率的變化，放大倍數雖然比濾除頻段大了很多，但對通帶內的頻率，其放大倍數并不是保持穩定不變的，就是說，朋友們的情緒并不穩定，也不是所有朋友都一如既往的付出幫助。（僅做舉例說明，不要誤解為對朋友的不滿哈）

　　c.貝塞爾濾波器：此種濾波器不是很通用，用的較專，因為它的特性是相位線性。前兩種關注的是放大倍數，但如果對語音信號，比如歌曲，通帶內放大倍數雖然沒有變化，但其旋律卻不再悠揚。因為相位的變化導致歌曲的嘔呀啁咤難為聽。此時，貝塞爾濾波器將會發生其作用。

　　至于選擇哪種濾波器電路結構形式，電路工程師未必去做深入研究，但須知道自己想要的特性，并提供給濾波器廠家，由他們幫您做選擇。

　　現在的電源濾波器都是低通濾波器，通過的都是工頻50Hz或60Hz，這是有用頻率，其他的全是無用的了，所以用截止頻率在1KHz以上的就綽綽有余，因此，盲人騎瞎馬似的隨便選濾波器，很多時候也沒出問題。所以對電源濾波器的選取在工藝、安規上就要多關注了。但在有特定輸出或輸入的場合，電源濾波器的選擇就要謹慎了。比如醫療手術時的電刀產品，其工作頻率是500KHz，它本身會對網電源造成干擾，所以電刀的對外傳導干擾需要抑制；同時，與電刀共用電源的設備也要警惕，其500KHz也可能會對您產生干擾。