【干貨】一文讀懂RLC無(wú)源濾波電路設(shè)計(jì)全過(guò)程

【摘要】

電源電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)RC/磁珠電容濾波，兩種濾波電路濾波效果有什么差異呢?本文將對(duì)RC濾波電路、磁珠電容濾波電路進(jìn)行了理論分析、仿真分析，并對(duì)實(shí)際使用情況進(jìn)行了頻譜測(cè)量分析。最終經(jīng)過(guò)分析、仿真、實(shí)測(cè)給出推薦濾波電路。

一、問(wèn)題的提出

電源濾波電路的目的是通過(guò)電路，將電源模塊上的噪聲和紋波去除掉。常用的無(wú)源濾波電路有磁珠電容濾波電路和RC濾波電路兩種，兩種濾波電路所使用的場(chǎng)合和條件不同，作用也不一樣。另外，參數(shù)的選擇也很關(guān)鍵。工程設(shè)計(jì)中大部分使用的是PI型濾波，使用較多電路如下：

這個(gè)電路的問(wèn)題在于，由于磁珠和電容器件參數(shù)設(shè)置不優(yōu)，對(duì)于一些在低頻部分(10KHz-1MHz)噪聲較大的電源，不能很好的起到電源濾波的作用。下面是使用該濾波網(wǎng)絡(luò)的PPC模塊(時(shí)鐘模塊)時(shí)鐘輸出的頻譜圖?？梢院苊黠@的看到在300KHz和230KHz附近有開(kāi)關(guān)噪聲的存在，而且其與主頻之間的能量差最大為-49dB左右。該電路需要優(yōu)化，否則這樣送出的時(shí)鐘作為高速信號(hào)的參考時(shí)鐘是存在誤碼風(fēng)險(xiǎn)的。

二、解決方法

1、理論分析

(1)RC濾波電路

RC濾波電路的模型如下：

電路上的方程為：

其中

代入得到：

對(duì)上面的公式兩邊取拉式變換得：

系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是

幅頻曲線(xiàn)

其波特圖的斜率是-20dB

當(dāng)w=1/RC時(shí)，為其-3dB的截止頻率，即f=1/(2πRC)

(2)磁珠電容濾波電路

再來(lái)看看磁珠電容濾波電路的情況，這里的L選取的是磁珠，電感由于所占的體積較大，不適合電路普遍推廣，電感可在有特殊需求的場(chǎng)合下使用。

磁珠可看做是一個(gè)LRC并聯(lián)的系統(tǒng)，低頻段顯現(xiàn)的是感性，中頻段顯現(xiàn)的是阻性，高頻段顯現(xiàn)的是容性。

為了電路的分析方便，磁珠我們暫時(shí)只把它當(dāng)做電感和直流等效電阻串聯(lián)的模型。整個(gè)LC濾波電路電路的模型如下：

該模型的傳遞函數(shù)與幅頻曲線(xiàn)的推導(dǎo)過(guò)程可參見(jiàn)相關(guān)書(shū)籍資料，本文直接使用推導(dǎo)的結(jié)論：

wmax為出現(xiàn)極值點(diǎn)的頻率，及幅頻曲線(xiàn)極大值時(shí)的頻率。L為磁珠的感抗值C為濾波電容值，r1為磁珠的直流等效電阻，r2是電容的直流等效電阻。幅頻函數(shù)如下：

可以看出，wmax，與LC相關(guān)，同時(shí)與r1與r2相關(guān)，在L和r1值確定的情況下，C越大，r2值越大，wmax最小。

在L和r1確定的情況下，C越大，r2值越大，越小，超調(diào)量越小。

2、仿真分析

磁珠電容濾波電路的情況，原始電路模型如下：

仿真的幅頻曲線(xiàn)如下：

f-3dB=44.5kHz，增益峰值為6.75 dB 其在300kHz的幅值是-38dB。

根據(jù)理論分析的結(jié)果，提高電容的C值與電容對(duì)應(yīng)的ESR的值，可以使wmax減小，在wmax值處的超調(diào)量減小

我們加入了大ESR的10uf的鉭電容進(jìn)行仿真分析，使用的電路模型是

仿真的幅頻曲線(xiàn)如下：

f-3dB=39.5kHz，增益峰值為1.112 dB其在300kHz的幅值也是-38dB。

從上面兩圖對(duì)比來(lái)看，加入了大ESR，大電容值的阻尼電容，確實(shí)使得峰值的頻率由44.5kHz轉(zhuǎn)移到39.5kHz，增益的峰值也由6.75 dB降為了1.112 dB。但是在300kHz附近的幅頻曲線(xiàn)的幅值變化不大，都在-38dB左右。

對(duì)RC的情況進(jìn)行仿真，電路模型如下：

仿真的幅頻曲線(xiàn)結(jié)果如下：

與理論計(jì)算結(jié)果基本一致，f-3dB=7.233kHz，其在300kHz的幅值是-32dB

后面實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，使用1歐姆的電阻，如果電路電流過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致在電阻上的壓降過(guò)大，引起電路不穩(wěn)定。采用了改進(jìn)的RC電路，將電阻阻值設(shè)置為0.15歐姆，電容C設(shè)置為較小ESR的100uf陶瓷電容。電路模型如下：

仿真的幅頻曲線(xiàn)結(jié)果如下：

與電阻采用1歐姆，電容采用22uf的仿真情況基本一致。

3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

磁珠電容濾波電路的改進(jìn)措施：在磁珠后并聯(lián)一個(gè)大ESR(0.55歐姆)，大容值(100uf)的普通鉭電容，測(cè)得的頻譜如下，將300kHz左右的開(kāi)關(guān)噪聲由-49dB降低為-63dB，減小的幅度為14dB。其他頻率的噪聲也有較大的衰減。

RC的改進(jìn)措施：將磁珠更換為電阻，改原來(lái)的LC濾波為RC濾波。開(kāi)始使用的電阻阻值為1歐姆，但是1歐姆的電阻串聯(lián)在電路中是很不妥的，不能用于較大電流(百mA級(jí))電路，因此需要使用較小阻值的電阻(0.15歐姆)。為了達(dá)到較好的濾波效果，與0.15歐姆電阻配合使用時(shí)，我們使用低ESR的陶瓷電容，容值為100uf。

測(cè)試的幅頻曲線(xiàn)如下：將300kHz左右的開(kāi)關(guān)噪聲由-49dB降低為-73dB，減小的幅度為24dB。其他頻率的噪聲也有較大的衰減。

可以看出實(shí)測(cè)使用RC電路的效果要比使用LC電路的效果要好，但是仿真時(shí)候結(jié)果是LC的電路在300kHz時(shí)的幅值為-38dB，RC電路在300kHz時(shí)幅值為-29dB。這可能與仿真的模型與實(shí)際情況有偏差有關(guān)：

(1)實(shí)際電路除了仿真的主電容外，還有其他容值的電容，會(huì)對(duì)實(shí)際電路的最后結(jié)果產(chǎn)生影響。

(2)磁珠是個(gè)較為復(fù)雜的器件，其受到溫度影響較大;使用仿真的模型也不能完全將其特性反映出來(lái)。(真實(shí)原因是什么呢?其實(shí)我也想知道(*￣︶￣))

三、總結(jié)

1、低頻濾波電路適合使用RC電路。因?yàn)樾》庋b的磁珠電感值較小，對(duì)低頻不能起到很好的濾波效果;RC電路易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)低頻的效果很明顯。

2、高頻濾波電路適合使用有磁珠的LC電路。因?yàn)榇胖樵诟哳l中就扮演著高頻電阻的作用，能夠有效的濾除高頻雜音成分。但從實(shí)際測(cè)量的相噪中可以看出，RC電路與LC電路在高頻部分的底噪相差不大，這是由于主電容外的其他容值的小電容起作用的結(jié)果。

3、使用RC電路與使用有磁珠的LC電路都應(yīng)該注意壓降的問(wèn)題。RC電路尤其要注意，不能將該濾波電路放置在有大電流的電路。因?yàn)镽C電路本身會(huì)耗能，并且效率較差，且要注意電阻所能承受的功率。比如上面使用的0.15歐姆的電阻，其所能承受的功率為1/8瓦，換算成電流為不超過(guò)900mA。

4、推薦電路如下：

審核編輯：湯梓紅