设计用于开关电源的二级输出滤波器

文章作者:Kevin Tompsett, ADI

如今，开关电源几乎无处不在，遍及每一个电子设备。它们的价值在于体积小、成本低和效率高。然而，它们的一个主要缺点是，由于高开关瞬态，它们的输出可能有噪声。这使它们远离了线性稳压器占主导地位的高性能模拟电路。

已经证明，在许多应用中，适当滤波的开关变换器可以代替线性调节器来生产低噪声电源。即使在那些需要极低噪声电源的苛刻应用中，在功率树的上游某处也可能有一个开关电路。因此，需要能够设计优化的、有阻尼的多级滤波器来清除开关功率变换器的输出。此外，重要的是要认识到滤波器的设计将如何影响开关功率变换器的补偿。

在本文中，boost电路将用于示例电路，但结果将直接适用于任何dc- dc变换器。所示图1是恒流模式(CCM)升压变换器的基本波形。

图1升压变换器的基本电压和电流波形

使得输出滤波器对于boost或其他电流断续模式的拓扑如此重要的问题是开关b的电流时间快速上升和下降，这往往会在开关、布局和输出电容中激发寄生电感。其结果是，在现实世界中输出波形看起来更像图2,而不是图1，即使有良好的布局和陶瓷输出电容。

图2DCM升压变换器的典型实测波形

与输出开关未被衰减的振铃相比，由控制电容的变化引起的开关纹波(在开关频率上)非常小，我们将其称为输出噪声。一般来说，这种输出噪声在10 MHz ~ 100+ MHz范围内，远远超出了大多数陶瓷输出电容的自谐振频率。因此，增加额外的电容器对减弱噪声作用不大。

对于不同类型的过滤器，有几个合理的选择来过滤这个输出。本文将说明每种类型的过滤器，并给出一个逐步的设计过程。方程不严格，并做了一些合理的假设，使其有所简化。仍然需要一些迭代，因为每个组件都会影响其他组件的值。ADIsimPower设计工具通过使用组件值的线性化方程(如成本或大小)来解决这个问题，在选择实际组件之前进行优化，然后在从数千个部件的数据库中选择实际组件时优化输出。然而，对于第一次进行设计的人来说，这种复杂度是不必要的。根据所提供的计算，并可能使用像free ADIsimPE这样的SIMPLIS模拟器，或在实验室的一些实验时间，可以用最少的努力找到一个满意的设计。

在设计滤波器之前，考虑用RC或LC单级滤波器可以实现什么。对于二级滤波器来说，将纹波降到几百μV p-p，开关噪声降到1 mV p-p是合理的。由于功率电感提供了有效的滤波功能，所以降压型变换器可以变得稍微安静一些。这些限制是由于一旦纹波下降到μV，元件寄生，滤波器级之间的噪声耦合开始成为限制因素。如果需要更安静的供应，那么可以添加第三级过滤器。然而，开关电源通常没有最安静的参考，也遭受抖动噪声。这两者都会导致无法轻易滤除的低频噪声(1 Hz至100 kHz)。因此，对于极低噪声的电源，最好是使用一个二级滤波器，然后在输出端添加LDO。

在深入了解每种类型的过滤器的更详细的设计过程之前，在每种类型的过滤器的设计过程中将使用的一些值定义如下:

最简单的滤波器类型只是一个RC滤波器，如图所示，附在输出的一个小电流ADP161x-basedboost设计见图3。这种过滤器的优点是成本低，不需要阻尼。然而，由于功率损耗，它只适用于非常低的输出电流转换器。本文假设陶瓷电容器具有较小的ESR。

图3ADP161x低输出电流升压变换器设计，在输出端添加RC滤波器

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