為了確保它們保持安全，許多物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用程序?qū)⑿枰阑饓途W(wǎng)關(guān)來保護(hù)最敏感的設(shè)備。盡管終端節(jié)點(diǎn)將由電池供電，但這些防火墻在很大程度上將由線路供電，為其提供運(yùn)行必要安全檢查所需的能量。這引入了過濾電源線以防干擾的需要。

為了應(yīng)對可以針對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)起的越來越多的威脅，防火墻使用的數(shù)據(jù)過濾系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜。設(shè)計(jì)人員不僅部署了嵌入式處理器，還部署了現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，以執(zhí)行能夠清除可疑或惡意幀的深度數(shù)據(jù)包檢測任務(wù)。這些復(fù)雜的設(shè)備可以有多個(gè)電源軌供給它們，分別為核心邏輯陣列和I/O單元以及時(shí)鐘和存儲(chǔ)器接口通道提供能量。

電源耦合噪聲會(huì)對用于產(chǎn)生可靠時(shí)鐘脈沖的鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生不利影響，包括片內(nèi)電路和串行接口，以及邏輯運(yùn)算。由于電壓現(xiàn)在為1 V或更低，因此對變化的容忍度非常小，因此電路可能對紋波和其他形式的電源噪聲非常敏感。

電源完整性是這些設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求之一，因?yàn)樘幚碇袛嗫赡軙?huì)在系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)性能。由于防火墻通常位于數(shù)據(jù)中心外部，過濾后的電源不易獲得，并且可能靠近工業(yè)設(shè)備，因此需要將自己的電源噪聲抑制和過濾硬件結(jié)合在一起。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)防火墻的設(shè)計(jì)中，可能需要兩個(gè)階段進(jìn)行過濾。一個(gè)是在電源輸入端，試圖消除沿電纜傳導(dǎo)的噪聲。另一種是在電源之后處理耦合到主電路中的噪聲或由于系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)字切換而產(chǎn)生的噪聲。在這兩種情況下，電感和電容的無源網(wǎng)絡(luò)都可以提供所需的大部分濾波。

電源輸入濾波器的一個(gè)選項(xiàng)是無阻尼LC濾波器。然而，這具有潛在地增加電路轉(zhuǎn)角頻率處的干擾的效果，這與總電感和電容的平方根有關(guān)。因此，設(shè)計(jì)通常使用串聯(lián)或并聯(lián)阻尼來抑制濾波器截止頻率附近的峰值。

在電源的輸出側(cè)，旁路電容經(jīng)常用于抑制電流的變化切換噪聲和其他干擾源引起的流量。電容器位于電源和地之間。除了旁路電容器之外，還可以串聯(lián)插入諸如鐵氧體磁珠的電感器，以形成共模噪聲抑制濾波器。在這種情況下，鐵氧體可以更好地工作，因?yàn)樗鼈兲峁┍入姼衅鞲偷淖杩梗姼衅骺梢杂迷贒C/DC轉(zhuǎn)換器本身的輸出電路中。在電感和電容選擇期間需要考慮許多因素。

多層陶瓷電容器(MLCC)廣泛用作電源噪聲濾波應(yīng)用中的電容器，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚韺掝l率范圍。然而，這些特性受其固有電阻(ESR)和電感(ESL)的影響，在處理高頻信號時(shí)導(dǎo)致不太理想的特性。由于這些元件，電容器阻抗表示V形頻率曲線(圖1)，其中電容器的阻抗(主要由串聯(lián)電阻引起)由于串聯(lián)電感而在再次上升之前幾乎線性地朝向諧振頻率下降。

圖1：頻率下電容器的阻抗特性。

左側(cè)的曲線可以通過選擇合適的電容來調(diào)節(jié)。通常，阻抗越低，電容器的噪聲抑制能力越好。較高的電容通常在V的左側(cè)較低，但對電感控制側(cè)的影響很小。因此，選擇具有低ESL的電容器以及選擇在PCB上安裝電容器的方式非常重要，以確保在那里具有低電感 - 這可以通過使用短而寬的跡線來實(shí)現(xiàn)。電感增加1 nH可將噪聲抑制降低10 dB。

適用于抑制的低電感電容會(huì)改變內(nèi)部電極配置，從而改變通過器件的電流路徑。一種類型是長度寬度(LW)反向電容器，例如Murata Electronics LLL系列系列，其具有寬且短的電極結(jié)構(gòu)。另一種方法是多端電容器設(shè)計(jì)，每個(gè)電極相對于其相鄰電極反轉(zhuǎn)極性。使用這種結(jié)構(gòu)，在相反方向上流動(dòng)的電流之間的互感抵消了。傳統(tǒng)的MLCC可能具有0.5nH的電感，而LW反向可以將其降低到0.2nH，而8端子甚至可以進(jìn)一步降低到0.1nH。 Murata LLA系列提供合適的八端電容，AVX IDC系列也是如此。

另一種形式的低ESL電容是三端子設(shè)計(jì)，是一種專為以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的饋通電容器其廣泛的頻率范圍特性。它是一個(gè)帶有輸入，輸出和接地電極的電容器，在電路中形成一個(gè)T形路徑。該設(shè)計(jì)顯著降低了旁路方向的電感，通常小于傳統(tǒng)MLCC的三十分之一。

類似于電容器，電感器具有與頻率相關(guān)的特性，盡管相對于電容器外殼是反轉(zhuǎn)的，因此在Δ形狀而不是V形中。峰值再次處于電感器的自諧振頻率。三角形的上升左邊緣是由于電感引起的，右下方的下降主要由有效的并聯(lián)電容(EPC)控制。自諧振點(diǎn)的阻抗由有效并聯(lián)電阻(EPR)控制。

為了在高頻下實(shí)現(xiàn)高阻抗，通常通過最小化繞組線中的電容來獲得具有低EPC的電感器。 。然而，由于頻率相關(guān)的電阻，鐵氧體磁珠具有比電感器的尖銳諧振峰更寬的峰值，這適合于寬帶噪聲抑制。

鐵氧體磁珠的基本結(jié)構(gòu)由圓柱形鐵氧體和穿過它的引線組成，盡管有些形式使用內(nèi)部形成螺旋連接的多層結(jié)構(gòu)。響應(yīng)于通過引線的電流，在鐵氧體內(nèi)部形成磁通量，提供由鐵氧體的磁導(dǎo)率引起的電感和阻抗特性。

圖2：鐵氧體電容LC濾波器的典型配置。

電感根據(jù)鐵氧體磁導(dǎo)率的頻率特性而變化，通常不固定。阻抗受鐵氧體磁損耗的強(qiáng)烈影響。結(jié)果，鐵氧體磁珠的特性通常用頻率引起的阻抗變化表示，與電感相反。在高頻時(shí)，大部分能量通過熱量消散，但鐵氧體的電阻非常低，接近直流，因此不會(huì)對DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生很大影響。

鐵氧體磁珠應(yīng)該選擇使其在DC/DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率和其諧波處的阻抗足夠高，以及確保有效阻止調(diào)節(jié)器的開關(guān)噪聲。一些DC/DC轉(zhuǎn)換器制造商建議使用屏蔽鐵氧體磁芯電感器，因?yàn)樗鼈兊拇判緭p耗很低。

圖3：鐵氧體對頻率的阻抗響應(yīng)以及元件電阻(R)和元件電抗(X)的影響。

組合使用鐵氧體和電容濾波器的一種方法是使用LC濾波器。這簡化了匹配二者的工作，以確保由于電容器下降得太低而導(dǎo)致的插入損耗在所關(guān)注的頻率范圍內(nèi)提供有效抑制。典型的LC濾波器產(chǎn)品系列是Murata的NFE系列或TDK的ACF系列。

噪聲會(huì)對敏感的高性能數(shù)字處理器產(chǎn)生不利影響，因?yàn)樗鼤?huì)干擾模擬電路。在濾波電路中進(jìn)行設(shè)計(jì)可以確保系統(tǒng)可靠地運(yùn)行，特別是在諸如工業(yè)環(huán)境等易受EMI影響的條件下。