如何設計隔離式DC/DC轉換器的極低噪聲濾波器

所有隔離DC/DC轉換器都有產生電噪聲的開關器件。當功率開關器件帶感性負載（如變壓器）時，就一定避免不了與功率開關器件的寄生電感或電容發生諧振。在幾百赫茲的中等開關頻率下工作的DC/DC轉換器可產生高達20MHz的噪聲。

這種高頻干擾完全滲透在整個轉換器中，在走線與走線之間穿梭，通過器件內的耦合電容從輸入到輸出之間跳躍。此外，輸出端的脈沖能量的流動，在輸出端口呈現出輸出紋波和噪音，同時該噪音和紋波被變壓器反射到輸入端，形成原邊的紋波電流。該脈沖電流在任何的感性元件中會產生低頻電壓，例如輸入和輸出的導線、PCB走線的長度、過孔或器件引腳。盡管可以通過在電源的原邊和副邊增加電容來降低輸入和輸出端電壓紋波，但共模噪聲很難全部濾掉，因為它們出現在輸入或輸出的兩個端口，因此濾波器無法“察覺”到。（圖1）。

圖1：DC/DC轉換器的共模噪聲（節選自DC/DC知識手冊1）

要設計一個非常低紋波和噪聲的電源需要三個獨立的濾波器，每個濾波器分別處理不同的干擾：

1：輸出紋波濾波器。該濾波器可減少由變壓器傳輸功率時引起的脈沖輸出紋波。輸出電容需要吸收每個開關周期產生的脈沖電流。在功率傳輸周期的間隙時間，輸出電容必須給負載提供能量。輸出電容上的電壓隨著每個開關周期上升和下降，因而具有鋸齒波形狀的圖表特征（圖2）。

圖2：DC/DC轉換器的典型輸出紋波和噪聲波形

功率晶體管每次導通（Vce快速下降）或關閉（Vce快速上升）時由諧振引起的高頻開關噪聲疊加在該鋸齒波上。因此，高頻噪聲與開關周期的波峰和波谷是同步的。

2：輸入紋波濾波器。功率晶體管每次導通時輸入電流迅速上升，每次關閉時電流會迅速下降。輸入電容是不能濾除疊加了共模噪聲的紋波電流，但電源輸入端的噪聲通常會低于輸出端的噪聲，這是因為電源的原邊是低阻抗源，吸收了很多高頻率噪聲。典型的輸入反射交流紋波電流如圖3所示。

圖3：反射紋波電流

3.變壓器是跨接在輸入和輸出之間的高阻抗源，因此開關噪聲可以輕易地通過變壓器繞組之間的層間電容耦合在變壓器上。若要降低該噪聲，可以在隔離帶上安裝一個電容以在輸出和輸入之間提供一條低阻抗的路徑。

我們的任務是設計出一個輸出紋波和噪聲小于5mVp-p的隔離電源。在測量非常小的信號和高靈敏度放大器電路或高分辨率信號處理應用中，如24位模數轉換器，就需要這種平滑的電源。

我們使用了R1ZX-0505DC/DC轉換器，輸出經由板載線性穩壓器進行調節，這樣可以提供僅30mVp-p的低噪聲輸出。

第一步是在-Vout和+Vin之間添加一個2nF電容。相對于變壓器的100pF耦合電容，2nF電容的返回路徑提供了更低的阻抗。該器件能大幅度降低輸出噪聲，但對輸入或輸出紋波的影響不大。

第二步是在輸入和輸出回路中增加電容。兩個10μFMLCC并聯以降低ESR并安裝在輸入和輸出的兩端。結果是輸入和輸出紋波大幅減少，但輸出端的共模噪聲仍然十分明顯。輸出波形如圖4所示。

我們現在需要做的就是過濾掉這些高頻開關尖峰，但是它們不容易被濾掉因為它們是共模的干擾，因此增加更多電容或LC濾波器不會有任何效果。

圖4：加抑制電容的輸入和輸出紋波波形

我們用共模樣品盒嘗試了不同的共模電感組合，直到找到最佳的解決方案。輸入需要用50uH的扼流圈和一對電容形成Pi型濾波器。即使線性穩壓器的CMRR很高，仍然需要嚴格控制輸入紋波。在輸出端放置一個類似的共模Pi濾波器，但最后發現一個10μH的扼流圈就已足夠了（圖5和圖6）。

圖五：完整的濾波器設計

未濾波輸出（僅用C3）

濾波輸出（帶共模扼流圈）

圖六：濾波前后的輸出波形（相同比例）

結論：在滿載時，共模濾波器測得的輸出紋波和噪聲約為2mVp-p。更改任何設備的參數值都會使數據變得更差，因此這是最小值。完整的濾波電路可能看起來很復雜，但是要想濾掉所有不同的干擾源獲得出色的低噪聲電源（-68dB）就必須要這樣設計。濾波電路中使用的器件體積很小，所以只需要占用很小的電路板空間。