噪聲處理實(shí)例：使用設(shè)計(jì)π型濾波器從后級應(yīng)對開關(guān)電源噪聲

在開關(guān)電源中，開關(guān)管周期性的通斷會產(chǎn)生周期性的電流突變（di/dt）和電壓突變(dv/dt)，周期性的電流變化和電壓變化則會導(dǎo)致電磁干擾的產(chǎn)生。

01 電感的頻率特性

圖1所示為Buck電路的電流變化，在Buck電路中上管電流和下管電流是突變的，這些突變電流導(dǎo)致了電磁干擾的產(chǎn)生。

圖1 Buck電路電流變化

圖2為Buck上管電流的頻域分析圖，電磁干擾出現(xiàn)在基波及其諧波頻率處，這個噪聲是開關(guān)電源特性所致，它的產(chǎn)生是無法避免的，因此需要π型濾波器對此干擾進(jìn)行抑制。

圖2 Buck上管電流的頻域分析

02 π型濾波器設(shè)計(jì)

圖3為典型傳導(dǎo)EMI測試架構(gòu)， DUT為待測設(shè)備，LISN主要用來隔離測試中電網(wǎng)可能導(dǎo)致的高頻干擾，從而使得EMI測量到DUT產(chǎn)生的真正EMI干擾。π型濾波器由濾波電感L，濾波電容Cf和阻尼電容Cd組成，Cin是DCDC的輸入電容。π型濾波器是用來過濾DUT產(chǎn)生的EMI，以阻止DUT對電網(wǎng)的電磁干擾。

圖3 典型π型濾波器原理圖

03 π型濾波器設(shè)計(jì)步驟

1 計(jì)算衰減倍數(shù)

在設(shè)計(jì)π型濾波器時(shí)，首先要確定衰減量Att（dB），如果已經(jīng)測過沒加π型濾波器的傳導(dǎo)EMI，只需用基波處最大干擾值Vnoise減去相應(yīng)頻率EMI標(biāo)準(zhǔn)允許的最大dBuV噪聲Vmax即可。

如果沒有測過沒加π型濾波器的傳導(dǎo)EMI，可以通過以下公式對衰減量進(jìn)行估算。以下公式通過對開關(guān)電流進(jìn)行傅里葉分解，得到預(yù)估的基波干擾量，然后再減去相應(yīng)頻率EMI標(biāo)準(zhǔn)允許的最大dBuV噪聲max，得到預(yù)估衰減量。

其中：

1.Vmax是EMI標(biāo)準(zhǔn)允許的最大dBuV噪聲；

2.Cin是已有輸入電容；

3.D是占空比，I是輸出電流；

4.fs是開關(guān)頻率。

2 選擇濾波電感感值

電感L取值通常在1uH到10uH之間，可以根據(jù)情況進(jìn)行電感值的選取，如果用于大電流應(yīng)用中，可選取小電感來減小損耗。

3 計(jì)算濾波電容CF容值

電容C_fa值用于確保EMI濾波器的諧振頻率至少低于十分之一開關(guān)頻率，C_fb值用于確保EMI濾波器有足夠的衰減量，選取C_fa和C_fb中更大的值作為濾波電容Cf容值。

4 計(jì)算阻尼電容Cd的容值

濾波電感L和濾波電容C_f組成的LC濾波器對傳導(dǎo)噪聲進(jìn)行有效的抑制，同時(shí)濾波電感L和輸入電容Cin也組成了一個LC濾波電路。這個LC濾波電路的輸出阻抗（即π型濾波器在VIN點(diǎn)的阻抗）必須足夠小，才能使π型濾波器不會明顯影響開關(guān)電源的環(huán)路增益。LCR電路的Q值為：

要使π型濾波器對開關(guān)電源的環(huán)路增益盡可能小，則需增加阻尼電容Cd和ESRd來降低LC的Q值。圖4展示了不同Cd值對應(yīng)的增益曲線，從中可以看出增加Cd可以使Q值減小，圖5展示了不同ESR值對應(yīng)的增益曲線，從中可以看出ESR的增加可以使Q值減小。

圖4 LC濾波中電容Cd對Q值的影響

圖5 LC濾波中電容Cd的ESR取值對Q值的影響

對于Cd和ESRd值按照以下公式進(jìn)行取值：

阻尼電容d一般建議使用有較大等效串聯(lián)電阻（ESR）的電解電容，除上述原因之外，Cd的ESR可避免DCDC輸入產(chǎn)生振蕩。

DCDC在輸入電壓增加的時(shí)候，輸入電流是減小的，因此可以等效為負(fù)阻抗電路。一個負(fù)阻抗電路與LC濾波器是十分容易振蕩的，因此需要Cd有一定的ESR來避免輸入產(chǎn)生振蕩。

04 π型濾波器應(yīng)用實(shí)例

圖6所示是在車載導(dǎo)航產(chǎn)品上無π型濾波器的傳導(dǎo)測試結(jié)果, 傳導(dǎo)干擾超標(biāo)主要在開關(guān)頻率（fsw=850kHz）及其諧波頻率處，由于傳導(dǎo)EMI超標(biāo)，需要使用π型濾波器進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 無π型濾波器的傳導(dǎo)測試結(jié)果

開關(guān)頻率為850KHz，輸入為12V，輸出為5V-3A，輸入電容為20uF。EN55032在基波處的限制為45dBuV。已知量為：D=41.67%、fs=850kHz、Cin=20uF、I=3A、Vmax=45dBuV。以下為π型濾波器計(jì)算步驟：

1 計(jì)算衰減倍數(shù)

由圖6可知基波的干擾最大值為90dBuV，目標(biāo)通過π型濾波器將干擾降為Vmax=45dBuV，因此衰減倍數(shù)為：

2 選擇濾波電感感值

為減少電感帶來效率損耗，選取L=1.5uH。

3 計(jì)算濾波電容Cf容值

取Cf=4.7uF

4 計(jì)算衰減電容Cd容值

此處選用Cd=100uF，選用具有較大ESR的電解電容。

圖7為使用上述參數(shù)的π型濾波器的仿真結(jié)果，可以看出在開關(guān)頻率處，π型濾波器對干擾信號有高于40db的抑制效果。

圖7 π型濾波器增益曲線仿真

圖8為使用上述參數(shù)的π型濾波器的實(shí)際測試結(jié)果，可以看出π型濾波器對傳導(dǎo)干擾有明顯的改善效果。

圖8 SCT2450加π型濾波器后的傳導(dǎo)測試結(jié)果