如何避免濾波高頻噪聲？

原文作者：zxf1809721203

噪聲是電源設(shè)計(jì)中的一個(gè)老問(wèn)題。對(duì)于電源而言，我們需要的是電源輸出中的噪聲要足夠低。電源噪聲是電磁干擾的一種，其傳導(dǎo)噪聲的頻譜大致為10kHz~30MHz，最高可達(dá)150MHz。電源噪聲，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅度高、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微機(jī)和數(shù)字電路易產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。 ?

紋波是一種有規(guī)律的、周期性的電信號(hào)，它是由一個(gè)或多個(gè)幅度和頻率相等的正弦波按照一定比例相加而形成的。紋波通常是由人為操作或故障引起的，例如電路中的不匹配或故障的設(shè)備。

噪聲是一種無(wú)規(guī)律的、隨機(jī)的電信號(hào)，它是由許多不同的波形和頻率的信號(hào)組成的。噪聲通常是由自然界中的電磁干擾或電路中的雜散電流引起的。

在電信號(hào)處理中，紋波和噪聲的區(qū)別是非常重要的。因此，在電信號(hào)處理過(guò)程中，常常需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以去除紋波干擾，同時(shí)保留有用的信息。

當(dāng)然了，這兩種現(xiàn)象都是疊加在我們想要的完美直流輸出上的無(wú)用信號(hào)。紋波的來(lái)源一般是周期性的輸入頻率，以及控制芯片的開(kāi)關(guān)頻率，比如AC-DC電源的輸入頻率為50-60赫茲。無(wú)論我們使用的開(kāi)關(guān)芯片有多好，AC輸入頻率的一部分都會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)電路泄漏輸出端。

以輸入信號(hào)為參考的紋波量主要由我們?cè)O(shè)計(jì)的線性調(diào)整率決定，這與電源抑制比（PSRR）的概念類似。也就是說(shuō)，線性穩(wěn)壓器允許將多少輸入信號(hào)傳遞到輸出。它不僅是控制芯片自身的功能，也是整個(gè)電路的工作原理。

60dB的PSRR意味著輸入端的任何波動(dòng)都會(huì)在輸出端衰減1000倍，改善線性調(diào)整率的主要方法是增加控制電路的增益?？刂苹芈返脑鲆嬖礁?，輸出端的誤差就越小；可以通過(guò)環(huán)路控制來(lái)處理輸入紋波；還可以使用更大的輸入電容器，這將減少直流輸入總線上的紋波，因此控制環(huán)路的PSRR將適用于更小的偏差。

除了輸出中的固有紋波之外，控制芯片參考電壓和所有其他噪聲源都會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)噪聲。我們可以采用濾波的方法來(lái)處理噪聲，可以使用濾波器去除電源中的噪聲，就像使用濾波器去除信號(hào)中的噪聲一樣。

事實(shí)上，我們可以將輸出電容器視為濾波器的一部分，它對(duì)電源電路的輸出阻抗作出反應(yīng)，通過(guò)增加輸出電容的值將降低噪聲。

不過(guò)，需要注意的是，電容器同時(shí)具有等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。雖然選擇具有較低ESR和ESL的電容器可以降低噪聲，但某些電源電路使用ESR來(lái)提供誤差信號(hào)，以進(jìn)行輸出電壓反饋。所以，如果隨意減小電容的ESR，比如用陶瓷電容器代替電解電容器，則可能會(huì)使電源工作不穩(wěn)定。

除了電源的輸出電容之外，還可以添加一個(gè)串聯(lián)電感器和另一個(gè)濾波電容器，以進(jìn)一步降低輸出噪聲。電感器以可忽略的損耗傳遞直流電流，同時(shí)提供高頻阻抗，電容器也可以濾除噪聲。從本質(zhì)上講，電感器是增加電源的高頻輸出阻抗，從而我們可以使用更小的電容器更有效地對(duì)其進(jìn)行濾波。

但需要注意的是，添加LC電路的問(wèn)題在于它們具有自諧振頻率。因此，它可能會(huì)使電源不穩(wěn)定或在瞬態(tài)負(fù)載變化后產(chǎn)生不可接受的振鈴。如果電源提供的輸出電流比較低，可以使用電阻器代替電感器。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)直流損耗，但電阻器也會(huì)增加輸出濾波器的阻尼，一般不建議這樣做。

另外還應(yīng)注意，電路板走線具有電感，比如CAN通信中使用雙絞線是減少電感，以防止振鈴和過(guò)沖尖峰的好方法，添加任何濾波器都可能會(huì)增加系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間和瞬態(tài)響應(yīng)。所以，在進(jìn)行濾波設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮濾波效率與啟動(dòng)時(shí)間的權(quán)衡。

編輯：黃飛

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