開關(guān)電源幾乎用于所有電子設(shè)備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價值。但是，它們最大的缺點就是高開關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致高輸出噪聲。這個缺點使它們無法用于以線性穩(wěn)壓器供電為主的高性能模擬電路中。實踐證明，在很多應(yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)濾波的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以代替線性穩(wěn)壓器從而產(chǎn)生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應(yīng)用中，上游電源樹的某個地方也有可能存在開關(guān)電路。因此，有必要設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級濾波器，來消除開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設(shè)計如何影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的補償也很重要。 本文示例電路將采用升壓轉(zhuǎn)換器，但結(jié)果可以直接應(yīng)用于任意DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖1所示為升壓轉(zhuǎn)換器在恒定電流模式(CCM)下的基本波形。 圖1. 升壓轉(zhuǎn)換器的基本電壓和電流波形 輸出濾波器對升壓拓?fù)浠蚱渌魏螏в袛嗬m(xù)電流模式的拓?fù)渲灾匾?，是因為它在開關(guān)B內(nèi)電流具有快速上升和下降時間。這會導(dǎo)致激勵開關(guān)、布局和輸出電容中的寄生電感。其結(jié)果是，在實際使用中，輸出波形看上去更像圖2而非圖1，哪怕布局布線良好并且使用陶瓷輸出電容。 圖2. DCM中升壓轉(zhuǎn)換器的典型測量波形 由于電容電荷的變化而導(dǎo)致的開關(guān)紋波(開關(guān)頻率)相比輸出開關(guān)的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠(yuǎn)超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對噪聲衰減的作用不大。 還有很多各類濾波器適合對此輸出濾波。本文將解釋每一種濾波器，并給出設(shè)計的每一個步驟。文中的公式并不嚴(yán)謹(jǐn)，且做了一些合理的假設(shè)，以便一定程度上簡化這些公式。仍然需要進(jìn)行一些迭代，因為每一個元件都會影響其它元件的數(shù)值。ADIsimPower設(shè)計工具利用元件值(比如成本或尺寸)的線性化公式在實際選擇元件前進(jìn)行優(yōu)化，然后從成千上萬器件的數(shù)據(jù)庫中選出實際元件后對其輸出進(jìn)行優(yōu)化，從而避免了這個問題。但在剛開始進(jìn)行設(shè)計時，這種程度的復(fù)雜性是沒有必要的。通過提供的計算公式，使用SIMPLIS仿真器——比如免費的ADIsimPE?——或者在實驗室工作臺上花費一些時間，就能以最少的精力得到滿意的設(shè)計。 開始設(shè)計濾波器前，考慮一下單級濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內(nèi)，并將開關(guān)噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉(zhuǎn)換器噪聲較低，因為電源電感提供了很好的濾波能力。這些限制是因為，一旦紋波降低至μV級別，元件寄生和濾波器級之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級濾波器。然而，開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓源一般不是噪聲最低的元件，并且常常受到抖動噪聲的影響。這些都導(dǎo)致了低頻噪聲(1 Hz至100 kHz)，通常不易濾除。因此，對于極低噪聲電源而言，使用單個二級濾波器然后在輸出端添加一個LDO可能更合適。 在更詳細(xì)地介紹各類濾波器的設(shè)計步驟前，部分在設(shè)計步驟中使用的各類濾波器的數(shù)值定義如下： ΔIPP: 進(jìn)入輸出濾波器的峰峰值電流近似值。為方便計算，假定是正弦信號。數(shù)值取決于拓?fù)?。對于降壓轉(zhuǎn)換器而言，它是電感中的峰峰值電流。對于升壓轉(zhuǎn)換器而言，它是開關(guān)B(通常是一個二極管)中的峰值電流。 ΔVRIPOUT?: 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率處的輸出電壓紋波近似值。 RESR: 所選輸出電容的ESR。 FSW?: 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。 CRIP: 輸出電容的計算中，假定所有ΔIPP?流入其中。 ΔVTRANOUT: ISTEP施加于輸出時，VOUT?的變化。 ISTEP:輸出負(fù)載的瞬時變化。