1.前言

某些應(yīng)用，例如測(cè)試和測(cè)量用的傳感器，采集模擬量信號(hào)時(shí)，對(duì)電壓紋波非常敏感，通常需要電源輸出非常低的電壓紋波。例如，10μV/V 的紋波比轉(zhuǎn)化為 100dB 的衰減。

2、二級(jí)LC濾波

由于使用帶單級(jí)濾波器的降壓穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)這種衰減水平是不切實(shí)際的，因此降低輸出電壓紋波的強(qiáng)大設(shè)計(jì)技術(shù)是使用第二級(jí)電感電容 (LC) 濾波器，如圖 1 所示。正確配置第二級(jí)過(guò)濾器對(duì)于獲得最佳性能至關(guān)重要。

圖 1：具有第二級(jí) LC 濾波器的降壓

為了在開關(guān)頻率處獲得總共 100dB 的衰減，第一和第二個(gè) LC 濾波器設(shè)計(jì)為分別提供衰減 A 1 (60dB) 和 A 2 (40dB)。對(duì)于第一級(jí)濾波器，電感器 L 1旨在根據(jù)負(fù)載電流提供選定的紋波比。在功率模塊中，該 L 1電感器集成在封裝內(nèi)。

等式 1 將電感 L 1在開關(guān)頻率下的阻抗表示為：

因此，公式 2 將 C 1在開關(guān)頻率下的阻抗表示為：

等式 3 將所需的阻抗 X C1轉(zhuǎn)換為電容器 C 1的值：

濾波器的輸出阻抗應(yīng)足夠低，以免顯著影響轉(zhuǎn)換器的環(huán)路增益。低輸出阻抗還有助于更好地調(diào)節(jié)長(zhǎng)走線長(zhǎng)度。在我們無(wú)法維持穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載靠近穩(wěn)壓器的系統(tǒng)中尤其如此。從圖 2 中可以看出，第一級(jí)電容 (C 1 ) 與第二級(jí)電容 (C 2 )的比率對(duì)轉(zhuǎn)換器的阻抗至關(guān)重要。

為了確保低阻抗并確保濾波器不會(huì)顯著影響環(huán)路，我將 C 1與 C 2的比率設(shè)置為 1 比 10。

圖 2：具有不同濾波器設(shè)計(jì)的閉合輸出阻抗

公式 4 表示 C 2在開關(guān)頻率下的阻抗：

為了獲得 A 2衰減，公式 5 將 L 2的阻抗確定為：

公式 6 將所需的阻抗 X L1轉(zhuǎn)換為電容器 L 2的值：

許多設(shè)計(jì)人員擔(dān)心第二級(jí)濾波器的額外極點(diǎn)和相位延遲會(huì)影響環(huán)路穩(wěn)定性。實(shí)際上，如果將附加雙極點(diǎn)放置在遠(yuǎn)離交叉頻率的位置并保持其低于開關(guān)頻率，則不會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的帶寬和相位裕度。

你更應(yīng)該注意的是二級(jí)濾波器的Q值。高 Q 值將導(dǎo)致低增益裕度（如圖 3 所示），從而導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定，例如對(duì)階躍輸入的無(wú)阻尼響應(yīng)。因此，我們必須抑制第二級(jí)濾波器的 Q，并且有不止一種方法可以做到這一點(diǎn)。

最簡(jiǎn)單的方法是使用具有等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的電解或聚合物電容器。然而，ESR 不是一個(gè)可靠的因素，并且會(huì)導(dǎo)致紋波衰減的減少（輸出紋波的增加）。另一種選擇是在濾波電感上并聯(lián)一個(gè)電阻，如圖4所示，具有體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是它降低了濾波器在高頻下的有效性，因?yàn)樗档土藶V波電感器的有效阻抗。

圖 3：高 Q 導(dǎo)致低相位裕度

圖 4：將電阻器與電感器并聯(lián)放置會(huì)抑制 Q

我們以 LMZM23601 為例，V IN = 24V，V OUT = 5V，F(xiàn) SW = 750kHz，I OUT = 1A。電源模塊有一個(gè) 10μH 集成電感器。因此，L 1在開關(guān)頻率下的阻抗為 47.1Ω。為了使第一級(jí)濾波器獲得 60dB 的衰減，開關(guān)頻率下的 C 1阻抗應(yīng)為 47mΩ，即 4.5μF 轉(zhuǎn)換為電容。我選擇了 6.8μF 來(lái)增加一些裕量。由于第二級(jí)電容器設(shè)置為第一級(jí)電容器的 10 倍，因此 C 2的選擇值可以是 68μF。開關(guān)頻率下的最終阻抗 X C2為 3.1mΩ。

要獲得剩余的 40dB 衰減，阻抗 X L2應(yīng)為 309mΩ，轉(zhuǎn)換為電感時(shí)為 65nH。由于此電感器將看到輸出電流，因此設(shè)計(jì)足夠的裕量以使電感器不會(huì)隨電流降額就很重要。我們可以選擇 160nH 的電感器。為了抑制 Q，我添加了一個(gè)與電感器 L 2并聯(lián)的 250m 電阻器。

圖 5 顯示了我在示例中使用的參數(shù)。

圖 5：帶有二級(jí)濾波器的 LMZM23601

圖 6：測(cè)試輸出電壓紋波

圖 7：帶有和不帶有第二級(jí)濾波器的波特圖

從圖 6 和圖 7 中可以看出，添加第二級(jí)濾波器是降低輸出電壓紋波的有效方法。我們可以輕松獲得 0.014% (0.7mV/5V) 的輸出電壓紋波，這對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠了。同時(shí)，適當(dāng)?shù)臑V波器設(shè)計(jì)不會(huì)影響轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性。